L'emissione e la ricezione di rumore elettromagnetico può rappresentare un problema di notevole entità per i progettisti elettronici. Poichè il rumore è una forma di energia elettrica, esso viene trasportato in modo naturale attraverso un conduttore se quest'ultimo è collegato. Qualora siano presenti più conduttori, la trasmissione del rumore avviene seguendo due modalità differenti: modo comune e modo normale.Un dispositivo elettronico è connesso con un cavo di interfaccia e il rumore emesso dal cavo agisce come un'antenna. In assenza del cavo, il livello del rumore è ridotto. Quando il cavo è connesso, il rumore aumenta nell'intervallo di frequenza compreso tra 100 e 300 Hz. Solitamente un cavo di interfaccia contiene una linea di massa, una linea di potenza e una linea di segnale: a questo punto è lecito chiedersi qual è la linea che sta trasportando il rumore. Il cavo potrebbe essere schermato e in questo caso il rumore potrebbe essere stato trasportato attraverso la schermatura. Il risultato è che il rumore comune è stato indotto da tutti i terminali nel connettore che è collegato al cavo. Per contro la massa (ground) di un circuito elettrico è generalmente considerata come un punto di riferimento caratterizzato da un rumore ridotto. Se del rumore è stato sovrapposto a questa massa, lo stesso rumore sarà sovrapposto alla sorgente di potenza e al segnale. Di conseguenza, il rumore che è stato sovrapposto alla massa è a volte indicato come rumore di modo comune. I circuiti elettrici sono basati su una corrente elettrica che fa un percorso si andata e ritorno lungo un determinato percorso. Se una parte di questo circuito viene estrapolata e assume la forma di un cavo, quest'ultimo è rappresentato da due fili sui quali una corrente elettrica entra e esce dal cavo stesso. Queste correnti fluiscono in direzioni opposte l’una rispetto all'altra e hanno la stessa ampiezza. La somma totale della corrente sarà quindi sempre uguale a zero. Questa modalità di flusso della corrente è definita modo normale. Le correnti possono fluire nella medesima direzione sui due fili all'interno del cavo. Questa modalità è definita modo comune. La corrente di modo comune è una componente della corrente elettrica che scorre nella medesima direzione a causa del fatto che a ciascuna linea è applicata la medesima tensione. Come riportato dalla medesima figura, è chiaro che questa corrente è provocata da una corrente che è stata dispersa attraverso la capacità elettrostatica di tipo "floating" che si crea tra il carico e la massa ed è quindi ritornata verso la sorgente di rumore attraverso la massa. La corrente potrebbe essere stata provocata da una connessione diretta tra il carico e la sorgente di rumore senza passare attraverso la massa. La modalità normale su due line è talvolta denominata modalità differenziale (differential mode)
Soluzioni per filtrare il rumore
Solitamente si utilizzano condensatori e induttori per formare un filtro passa-basso - posizionato a metà o in un punto di connessione del cavo - che agisce alla stregua di un percorso di trasmissione del rumore per bloccare la conduzione del rumore stesso. Mediante l'inserimento di un condensatore tra le linee e il collegamento di un elemento di impedenza in serie (come ad esempio una bobina di arresto) è possibile creare un filtro per il rumore di modo normale. La corrente relativa al rumore di modo normale scorre nella stessa direzione di quella utilizzata per il funzionamento del circuito. I valori di L e C sono regolati in modo tale che la frequenza di taglio del filtro passa-basso non superi quella dei componenti richiesti per il funzionamento del circuito. Se tutte le linee sono "floating" (ovvero non connesse) rispetto a massa, il circuito è considerato bilanciato e viene usato un componente di impedenza per entrambe le linee. Poiché è necessario mantenere il bilanciamento, l'impedenza è la stessa. Se un lato è connesso a massa, come accade nel caso di un circuito digitale, il circuito è considerato sbilanciato e nessun componente di impedenza viene usato solitamente per la massa. In questo contesto il termine bilanciato e sbilanciato si riferisce alla modalità di applicazione della tensione rispetto a massa nella conduzione in modo normale. Se la tensione è applicata in maniera simmetrica alle due linee si parla di circuito bilanciato, mentre se è concentrata su una linea si parla di circuito sbilanciato. L'altra linea di un circuito sbilanciato è la massa, alla quale la tensione applicata è praticamente nulla. Per quanto possibile, sarebbe opportuno utilizzare una bobina di modo comune come componente di impedenza. Se in un cavo è presente un certo numero di conduttori, una soluzione efficace può essere quella di creare una sorta di bobina di arresto di modo comune avvolgendo il cavo attorno a un nucleo di ferrite oppure interporre il cavo in un nucleo di ferrite. In presenza di rumore di modo comune, il rumore potrebbe presentarsi sulla massa alla quale è collegato il connettore Y. In questo caso, l'effetto di questo condensatore è ridotto perché non è stato connesso a una massa appropriata. In questo caso è necessario creare separatamente un punto di massa al quale collegare il condensatore Y. Come riportato in figura, il cablaggio di questa massa è tale da da creare un percorso di ritorno del rumore verso la sorgente di rumore.
Il rumore dei segnali differenziali
Negli ultimi anni i segnali differenziali sono stati ampiamente utilizzati per la trasmissione digitale ad alta velocità in applicazioni quali ad esempio interfacce Usb. I segnali differenziali contengono rumore di modo comune che risulta leggermente differente da quello spiegato finora. Un segnale differenziale prevede l'uso di un segnale in opposizione di fase su ciascuna linea della coppia di conduttori e la ricezione del segnale sotto forma di tensione di linea sul lato ricevitore. Nel caso le due correnti siano simmetriche l’una rispetto all’altra, i componenti della corrente sono quelli di modo normale, per cui il rumore è molto ridotto. Inoltre, l'influenza del rumore indotto dall'esterno è molto ridotta. Nel caso esista un leggero squilibrio nel segnale trasmesso dalle due line, i componenti non bilanciati si trasformano in corrente di modo comune. Tra i diversi fattori che possono causare il verificarsi di uno squilibrio si possono annoverare i seguenti:
a) variazioni temporali dei fronti di salita e di discesa;
b) variazioni di velocità di salita o di discesa dei fronti;
c) variazioni di ampiezza della tensione o della corrente;
d) sovrapposizione di rumore di modo comune.
I primi tre fattori menzionati sono più legati alla formazione della forma d’onda del segnale e rappresentano più un problema legato all’integrità del segnale che non al rumore. Tale squilibrio nella forma d’onda del segnale si verifica per diversi motivi: conduttori di lunghezza differente, presenza di un'eventuale curvatura nei conduttori, resistori di terminazione con impedenze diversa. Il rumore di modo comune si verifica a causa di uno squilibrio nella forma d’onda del segnale sotto forma di armoniche della frequenza del segnale nello spettro del rumore. Il rumore di modo comune sovrapposto è spesso osservato quando è stato applicato dall’esterno all’alimentatore o alla massa del driver o del ricevitore. Sebbene il rumore possa apparire come armoniche del segnale, esso può presentarsi a una frequenza non è del tutto correlata alla frequenza del segnale.
Bobine di arresto di modo comune
Solitamente si utilizzano bobine di arresto di modo comune per bloccare le correnti di modo comune ed eliminare qualsiasi squilibrio nelle forme d’onda del segnale nel caso di segnali differenziali. Solitamente sono impiegate sul lato del circuito di pilotaggio. Nel caso si manifesti del rumore sul lato ricezione, esse vengono usate anche su questo lato. Le bobine di arresto di modo comune utilizzate sono caratterizzate da attenuazione ridotta per la modalità differenziale, in modo da non pregiudicare il segnale differenziale. Oltre alle bobine di modo comune, per la soppressione del rumore in un segnale differenziale è possibile utilizzare un cavo schermato.
