Активное управление трансформатором для подавления синфазного напряжения

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2017

В предыдущей статье [1] обсуждался один подход к решению проблемы, связанной с земляной петлей, являющейся источником постоянной головной боли разработчиков аналоговых схем. В ней описывалась простая и эффективная многоканальная схема. Однако эта схема асимметрична, поскольку подавляет синфазные напряжения (common-mode-voltage – CMV) только на приемном конце кабеля. Поэтому она воздействует лишь на входы, и ничего не делает на выходах. Однако в тех случаях, когда CMV содержит только переменную составляющую помехи, другой метод удаления CMV – активное индуктивное подавление – работает двунаправлено, и поэтому компоненты ошибки CMV компенсируются как для входных, так и для выходных сигналов.

На протяжении многих лет инженеры использовали пассивную индуктивную схему подавления CMV (Рисунок 1). Эта схема, иногда называемая «трансформатор хамбакера» из-за того, что доминирующей составляющей CMV часто бывает 60-герцовый сетевой фон, состоит из первичной обмотки, последовательно включенной в провод, соединяющий земли между источником (1) и приемником сигнала (2), и вторичной обмотки с отношением витков 1:1.

Рисунок 1.	В классической конфигурации хамбакера трансформатор CMV состоит из первичной обмотки, последовательно включенной в провод, соединяющий земли между источником (1) и приемником сигнала (2), и вторичной обмотки с отношением витков 1:1.

Принцип работы трансформатора CMV основан на магнитной связи между первичной и вторичной обмоткой, в результате которой напряжение, возникающее на первичной обмотке, индуцирует равное и противоположное напряжение на вторичной обмотке, и таким образом, компенсирует его. Этот принцип легко расширить на несколько каналов, просто добавив для каждого канала по дополнительной вторичной обмотке (Рисунок 2).

Рисунок 2.	За счет большого габарита и веса магнитных компонентов, принцип, иллюстрированный Рисунком 1, можно расширить на несколько каналов.

Однако ахиллесовой пятой трансформатора CMV является тот факт, что на низкочастотном конце шумового спектра такая схема работает плохо. Это происходит из-за того, что для хорошего подавления помех индуктивное сопротивление обмоток должно быть намного больше импеданса кабеля. Чтобы удовлетворить этому критерию на частотах ниже 60 Гц, необходима индуктивность в сотни миллигенри. Для многоканальных приложений это выльется в большие объемы меди и сердечника. Однако если вы не возражаете против того, чтобы ваша схема потребляла немного энергии, эту проблему можно обойти с помощью активного управления трансформатором CMV.

Рисунок 3.	Используя активное управление трансформатором CMV, вы можете получить подавление CMV на 40 дБ или больше, расширив при этом полосу рабочих частот от десятков до миллионов герц.

На Рисунке 3 усилитель мощности, состоящий из микросхемы высокочастотного ОУ LT1797 и MOSFET, заставляет управляемый трансформатор с высокой точностью компенсировать синфазное напряжение, отслеживаемое относительно земли. В результате усиление кажущейся индуктивности оказывается настолько большим, что обмотку можно свести к одному проводу, проходящему через тороидальный сердечник. Другими словами, все, что требуется для того, чтобы получить подавление CMV на 40 дБ или больше и расширить полосу рабочих частот от десятков до миллионов герц – это просто пропустить многожильный сигнальный кабель сквозь «дырку от бублика».

Ссылки

Материалы по теме