Symetria. Cała prawda o złączu symetrycznym

W złączach symetrycznych oba przewody mają jednakową (i niezerową) impedancję. Złącza symetryczne wymagają również, aby zarówno nadajnik, odbiornik, jak i linia sygnałowa (przewód) miały symetryczną impedancję względem uziemienia. Dlatego są one niezwykle skuteczne w zapobieganiu powstawania różnego rodzaju szumów i zakłóceń. Dlatego wiele systemów, jak na przykład sieci telefoniczne, używają go jako główną technikę redukcji zakłóceń.

Ale prawdziwa natura złącz symetrycznych jest często błędnie rozumiana. Często w artykułach, a nawet w samych opracowaniach producentów, spotykamy się z może nie tyle błędnie rozumianą, co nie do końca wyjaśnioną kwestią symetrii. Oto jeden z przykładów, zaczerpnięty ze strony internetowej pewnej dobrze znanej firmy produkującej sprzęt audio:

„Obydwa przewody mają zawsze to samo napięcie, ale o odwrotnej polaryzacji. Obwód wejściowy miksera, który przyjmuje taki sygnał, zwie się wzmacniaczem różnicowym i ta przeciwfaza przewodów jest istotą operacji na takim sygnale”. Ten opis, jak wiele innych w tym temacie, opisuje symetrię sygnału („to samo napięcie, ale o odwrotnej polaryzacji”), ale całkowicie pomija bardzo ważną cechę złącza symetrycznego. Wyobrażenie, iż symetria sygnału jest wszystkim, co pozwala nam redukować zniekształcenia, to czysty mit.

Teraz przyjrzyjmy się cytatowi pochodzącemu z informacyjnej części aneksu IEC Standard 60268-3: „ Dlatego tylko taki tryb pracy, gdy zarówno nadajnik, linia i odbiornik sygnału są zrównoważone impedancyjnie, odgrywa rolę w usuwaniu zakłóceń i interferencji. Cechą tej redukcji zniekształceń i interferencji jest jej niezależność od tego, czy sygnał użyteczny jest sygnałem różnicowym, czy nie. Dlatego nie robi żadnej różnicy, czy sygnał użyteczny przesyłany jest jedną linią – jak np. w przypadku, gdy na jednej linii jest większe napięcie niż na drugiej – czy napięcia na obydwu są równe. Symetria sygnału użytecznego jest wskazana, ale w związku z zapasem poziomu (headroom) i przesłuchami, a nie w związku z usuwaniem szumów, zniekształceń i interferencji.”

Dokładna definicja obwodu symetrycznego to: „Obwód symetryczny to dwużyłowa linia transmisyjna, w której oba przewody i wszystkie inne obwody podłączone do tego obwodu mają taką samą impedancję w odniesieniu do uziemienia (ziemi) oraz do wszystkich innych linii i przewodów. Celem symetryzacji obwodów jest utrzymanie poziomu zniekształceń równym w obydwu przewodach, co w przypadku pracy w trybie wspólnym spowoduje eliminację tych zakłóceń z sygnału we wzmacniaczu różnicowym”. Uproszczony schemat połączenia symetrycznego przedstawia rysunek 1.

Teoretycznie możliwe jest usunięcie każdej interferencji czy napięć różnicowych względem ziemi, pól magnetycznych i elektrycznych dopóki te szkodliwe sygnały mają identyczne napięcia w każdej z linii sygnałowych i, oczywiście, ostateczny poziom napięcia nie przekracza zakresu pracy odbiornika. Jeśli oba urządzenia (odbiornik i nadajnik sygnału) są podłączone do systemu uziemiającego, różnica napięć uziemiających pomiędzy nimi powoduje powstawanie „szumów (zakłóceń) uziemienia”. Jeśli jedno lub oba urządzenia są nieuziemione, różnica napięć w uziemieniu może stać się bardzo duża. Tradycyjnie połączenia symetryczne realizuje się za pomocą przewodów ekranowanych, w których oba końce ekranu podłącza się do złącza uziemionego (np. poprzez masę układu lub obudowę). Takie połączenie służy minimalizacji różnicy napięć uziomu w urządzeniach. Jednakże, jeśli takiego połączenia nie ma, konieczne może być użycie innych sposobów w celu zmniejszenia różnicy potencjałów w uziemieniu. Napięcie, które ma identyczną wartość na obu wejściach, jeśli wejścia są takie same, nazywa się napięciem wspólnym (common-mode voltage).

W odbiorniku z wejściem symetrycznym używane są urządzenia różnicowe, bądź to w formie specjalnego wzmacniacza (różnicowego), bądź w formie transformatora, który z natury swojej reaguje tylko na różnice napięć pomiędzy tymi wejściami. Idealny odbiornik w ogóle nie powinien wykonywać operacji na sygnale wspólnym (a w zasadzie powinien wykonywać jedną – tłumić go). Ale w rzeczywistych rozwiązaniach ten sygnał nigdy nie będzie miał wartości zerowej. Różnica pomiędzy wzmacnianiem sygnału różnicowego a wspólnego nazywa się współczynnikiem tłumienia sygnału wspólnego, albo po prostu CMRR (common-mode rejection ratio). Wyrażany jest on przeważnie w dB, gdzie wyższa wartość oznacza lepsze tłumienie. Zauważmy, że wyjściowa impedancja „wspólna” nadajnika i wejściowa „wspólna” odbiornika w rzeczywistości ma odzwierciedlenie w postaci mostka Wheatstone’a, przedstawionego na rysunku 2. Jeśli mostek jest niezrównoważony, część „szumu uziemienia” (Vcm) będzie nieodwracalnie zamieniona na sygnał różnicowy w przewodzie. Wyzerowanie (zlikwidowanie) napięcia wspólnego jest silnie zależne od stosunku impedancji dla napięcia wspólnego pary nadajnik/odbiornik. Dodać jeszcze należy, że minimalizacja napięcia wspólnego jest stosunkowo niezależna od ogólnej impedancji przewodów – znaczenie ma tu tylko impedancja dla sygnału wspólnego.

Mostek jest bardzo czuły na małe, wręcz znikome zmiany impedancji w jednej z gałęzi mostka wtedy, gdy wszystkie gałęzie mają taką samą impedancję. Najmniejszą czułość wykazuje, kiedy dolne i górne gałęzie znacznie różnią się impedancjami. Dlatego więc możliwa jest minimalizacja zakłóceń pochodzących od CMRR w urządzeniu symetrycznym (złożonym z komponentów o normalnej tolerancji) poprzez uczynienie impedancji „wspólnej” bardzo małej na jednym końcu linii i bardzo dużej na drugim. Impedancje wyjściowe rzeczywistych urządzeń zależą od rezystorów (oraz często od pojemności sprzęgających), które typowo mają ±5% tolerancji. Z tego powodu typowe urządzenia mogą mieć impedancję wyjściową niesymetryczną w okolicy 10 omów. Impedancja „wspólna” wejściowa typowych symetrycznych obwodów wejściowych zawiera się pomiędzy 10 kΩ a 50 kΩ. Dzięki temu, tzn. dzięki dużej różnicy impedancji w stosunku do impedancji wejściowej urządzenia, CMRR w tych urządzeniach ma dużą wartość. Redukcja zniekształceń w rzeczywistym świecie złącz symetrycznych jest daleko mniejsza niż to wynikałoby z impedancji. Dzieje się tak dlatego, że nie bierze się pod uwagę pojemności wejściowych oraz pojemności przewodów. Dla przykładu, stara metoda IEC pomija w ogóle problem niesymetryczności. Inna metoda, która w prosty sposób wiąże oba wejścia i jest wciąż używana przez wielu inżynierów, jest równie nierealistyczna. Natomiast bardziej zadawalający jest zaadoptowany przez IEC nowy test CMRR, w którym odgórnie zakłada się istnienie rzeczywistego niezrównoważenia rzędu 10 omów w urządzeniu źródłowym.

Marian Ortyl