Condivisione della conoscenza | Cosa sono i segnali in modo comune e modo differenziale, e qual è l’utilità di un alto Common-Mode Rejection Ratio nelle sonde otticamente isolate?

Nel campo del test e della misura elettronica, la cattura precisa dei segnali elettrici è la chiave del successo. Tuttavia, gli scenari reali sono spesso complessi e variabili, con segnali inevitabilmente soggetti a diverse interferenze durante la trasmissione. Questo articolo esplorerà le differenze tra segnali in modo comune e differenziale, così come l'importanza del Common Mode Rejection Ratio (CMRR). Spiegheremo questi concetti e mostreremo come le sonde otticamente isolate SigOFIT di Micsig dimostrino un’impareggiabile capacità di reiezione del modo comune nella misura di circuiti half-bridge GaN. Attraverso esempi pratici, mostreremo le fonti delle interferenze di modo comune e come le sonde con un alto valore di CMRR possano sopprimere efficacemente queste interferenze, migliorando così il rapporto segnale-rumore e la precisione delle misure.

Le sonde otticamente isolate SigOFIT di Micsig hanno molti vantaggi rispetto alle sonde differenziali, uno dei più importanti è la loro incomparabile capacità di reiezione del modo comune. Ma a cosa serve una forte capacità di reiezione del modo comune? Nell’elettronica, i segnali possono essere divisi in due modalità di base: modo comune e modo differenziale. Queste due modalità sono cruciali per comprendere la trasmissione dei segnali e la gestione delle interferenze, soprattutto in ambiti che riguardano l’integrità del segnale e la soppressione del rumore. Con queste domande in mente, vediamo prima cosa sono esattamente i segnali in modo comune e in modo differenziale.

I segnali in modo comune si riferiscono alle componenti di segnale che hanno la stessa ampiezza e fase su due linee di segnale rispetto a un punto di riferimento (solitamente massa). In termini semplici, i segnali di modo comune rappresentano la parte di variazione comune delle due linee di segnale rispetto a un punto di riferimento comune.

Esempio di segnali in modo comune e differenziale

I segnali in modo differenziale si riferiscono alla differenza di tensione tra due linee di segnale, cioè la variazione relativa tra le due linee. È la componente di segnale effettivamente trasmessa, che rappresenta il trasferimento di informazioni tra le linee di segnale.

Schema dei segnali in modo differenziale

Il CMRR di una sonda è un parametro importante per la capacità di amplificazione della sonda di tensione dei segnali differenziali e la sua capacità di soppressione dei segnali di modo comune (segnali di interferenza). In una situazione ideale, il circuito di amplificazione dovrebbe amplificare solo il segnale differenziale (cioè la differenza tra i due ingressi) ed essere completamente insensibile al segnale di modo comune (cioè lo stesso segnale su entrambi gli ingressi). Più alto è il valore di CMRR, maggiore è la capacità del circuito di sopprimere i segnali di modo comune e solitamente migliore è la performance del circuito.

Il CMRR è solitamente espresso in dB e la sua formula di calcolo è la seguente:

Formula di calcolo del CMRR

Se il guadagno della sonda per il segnale differenziale è 1000 (30 dB), e il guadagno per il segnale di modo comune è 1 (0 dB), allora il CMRR sarà:

Esempio: calcolo CMRR = 60dB

Più alto è il valore di CMRR, minore sarà il coefficiente di amplificazione della sonda per il segnale di modo comune, quindi maggiore sarà la capacità di soppressione delle interferenze di modo comune. Nella misura elettronica e nell’elaborazione dei segnali, un alto CMRR aiuta a migliorare il rapporto segnale-rumore e ridurre l’impatto delle interferenze sui risultati di misura.

Prendiamo come esempio la misura del Vgs del transistor superiore in un circuito half-bridge GaN. Il segnale di pilotaggio Vgs del transistor superiore è il segnale in modo differenziale, mentre il Vds del transistor inferiore è il segnale in modo comune.

Nei circuiti half-bridge GaN, specialmente nella misurazione della tensione gate-source (Vgs) del transistor superiore, le interferenze di modo comune sono un problema comune. Tali interferenze possono provenire da diverse fonti e possono influenzare negativamente i risultati delle misure.

Nei circuiti half-bridge GaN, la tensione transitoria durante la commutazione è molto alta, specialmente durante le operazioni a commutazione veloce. Quando i transistor superiori e inferiori conducono alternativamente, si genera una tensione di modo comune ad alta frequenza sul gate-source a causa dei rapidi cambiamenti di tensione nel processo di commutazione; questi rapidi cambiamenti generano anche forti campi elettromagnetici attorno al circuito half-bridge, che possono indurre tensioni di modo comune nei conduttori vicini. All’istante della commutazione, la radiazione elettromagnetica può accoppiarsi nel loop gate-source, generando interferenze di modo comune.

Half-bridge GaN: Interferenze di modo comune

Nelle applicazioni di switching ad alta velocità, conduttori lunghi possono raccogliere energia dal campo elettromagnetico circostante come antenne, generando così una tensione di modo comune. La capacità e la resistenza d’ingresso della sonda di misura possono formare un partitore di tensione col circuito, producendo interferenze di modo comune. Le sonde differenziali possono avere tali problemi, mentre le sonde otticamente isolate di Micsig possono utilizzare connettori MMCX o MCX con cavi cortissimi e bassissima capacità d’ingresso, evitando questi problemi.

Un’elevata quantità di interferenze di modo comune può seriamente compromettere i risultati di misura. Perciò le nostre sonde di test devono avere una forte capacità di soppressione delle interferenze di modo comune per garantire l’autenticità del segnale. Più alto è il CMRR, maggiore è la capacità di sopprimere il rumore di modo comune. Supponendo di testare un circuito GaN, con segnale di modo comune di 500V, dv/dt=250V/ns, per sopprimere tali interferenze: se il CMRR=60dB, la sonda sovrapporrà 500mV di interferenza di modo comune al segnale differenziale, il che influisce chiaramente sulla misura. Se CMRR=80dB, la sonda sovrapporrà 50mV al segnale differenziale, ancora non trascurabile. Se CMRR=100dB, la sonda lascerà solo 5mV di interferenza, completamente trascurabile per il segnale differenziale.

Sonda SigOFIT: CMRR ultra elevato e impedenza 50Ω

La sonda otticamente isolata SigOFIT di Micsig ha un CMRR fino a 180dB, e mantiene un CMRR superiore a 100dB anche alla frequenza di 1GHz, riuscendo quasi perfettamente a sopprimere le oscillazioni causate dal rumore di modo comune ad alta frequenza, e il segnale visualizzato non presenta componenti spurie aggiuntive, risultando la scelta migliore per i test sui semiconduttori di terza generazione.
Inoltre, nelle trasmissioni ad alta velocità, se l’impedenza della linea di segnale non è adattata, possono verificarsi riflessioni, generando ulteriori tensioni di modo comune. Questo fenomeno di riflessione esaspera il problema delle interferenze di modo comune.
... La sonda SigOFIT di Micsig adotta un’impedenza di 50Ω, che permette di minimizzare le riflessioni del segnale e garantire una migliore integrità del segnale.

Micsig - Soluzioni innovative per sonde

Attraverso questo articolo, abbiamo appreso cosa sono i segnali in modo comune e differenziale, oltre ad alcune cause delle interferenze di modo comune. Allo stesso tempo, la sonda otticamente isolata SigOFIT di Micsig presenta un rapporto di reiezione del modo comune ultra elevato, capace di sopprimere meglio il rumore di modo comune e garantire l'integrità del segnale, aiutandoci a vedere la reale natura del segnale e supportandoci nella misura della tensione di pilotaggio gate in scenari impegnativi ad alta tensione e alta frequenza come dispositivi di potenza SiC/GaN.
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