Le terme « bruit de mode commun » revient sans cesse dans la documentation CEM et les normes. Pourtant, beaucoup l’emploient sans avoir vraiment saisi « en quoi il diffère du mode normal » ni « pourquoi le mode commun est facile à supprimer ».
Dans cet article, nous ordonnons les deux modes à partir de leur définition et expliquons comment fonctionne un filtre de mode commun à l’aide de circuits de filtre et équivalents.
- Un signal voyage toujours sur « deux fils »
- Définitions du mode normal et du mode commun
- Le « signal voulu » est en mode normal ; le bruit se dépose dans les deux
- Quand le bruit de mode commun devient nuisible
- La « différence de filtre » entre mode commun et mode normal
- Suppression par un récepteur différentiel
- Résumé
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Un signal voyage toujours sur « deux fils »
Commençons par les bases. Un signal électrique voyage toujours en formant une boucle avec un fil aller et un fil retour. Même si le schéma ne dessine qu’une seule ligne, une ligne de masse existe toujours comme fil de retour commun.
Ce fait — « il y a deux fils » — est le point de départ pour penser le mode commun et le mode normal.
Définitions du mode normal et du mode commun
Avant les équations, pensons avec une image concrète. Supposons que deux fils (D+ et D−) sortent d’un CI et transportent un signal vers un récepteur situé à distance.
Le signal que le concepteur envoie intentionnellement met des formes d’onde opposées sur les deux fils. À l’instant où D+ monte au niveau haut, D− descend au niveau bas. En soustrayant les deux tensions au récepteur, on récupère un signal propre d’amplitude doublée. C’est le mode normal (mode différentiel).
Le bruit externe, lui, se dépose sur les deux fils au même instant et dans le même sens, car les deux fils courent en parallèle, tout près l’un de l’autre. Sur D+ comme sur D−, se superpose exactement la même forme de bruit. C’est le mode commun (mode en phase).
Exprimé en équations de tension, cela donne ceci. Si les deux fils (fil A et fil B) ont des tensions EA et EB par rapport à la masse :
Le mode normal (mode différentiel) est la différence de tension entre les deux fils :
EN = EA − EBC’est la tension utilisée comme « signal ». Elle est créée par la paire de courants circulant en sens opposés sur les fils aller et retour.
Le mode commun (mode en phase) est la tension déposée en commun sur les deux fils :
EC = (EA + EB) / 2C’est le mode où les deux fils varient dans le même sens et de la même amplitude. Sur la figure ci-dessus, la partie d’onde en phase opposée correspond à EN, et la partie de bruit superposée en phase identique correspond à EC.
En termes de courant :
- Courant de mode normal : le courant (aller-retour) qui circule en sens opposés sur les deux fils
- Courant de mode commun : le courant qui circule dans le même sens sur les deux fils
Le « signal voulu » est en mode normal ; le bruit se dépose dans les deux
Le signal qu’un concepteur envoie intentionnellement est toujours en mode normal. On n’envoie jamais un signal en mode commun (car le chemin de retour deviendrait instable).
Le bruit, en revanche, se dépose de lui-même. Le bruit de mode normal comme le bruit de mode commun existent tous deux.
Voici la différence importante :
- Bruit de mode normal : même mode que le signal → indiscernable du signal. Il peut être supprimé par un filtre si sa fréquence est assez éloignée, mais en principe il est difficile à supprimer.
- Bruit de mode commun : mode différent du signal → il peut être supprimé en exploitant la différence de mode.
Si le bruit de mode commun est « plus facile à traiter », c’est précisément parce qu’on peut exploiter cette différence de mode.
Quand le bruit de mode commun devient nuisible
Comme en mode commun « les deux fils bougent de la même façon », en théorie il ne devrait pas affecter un récepteur qui détecte de façon différentielle. Quand un train roule à vitesse constante et qu’un passager saute à l’intérieur, il retombe au même endroit ; de même, si tout le système varie uniformément, aucune erreur n’apparaît.
Le problème survient lorsque l’amplitude de la tension de mode commun diffère d’un endroit à l’autre.
Par exemple, si vous reliez deux appareils éloignés par une ligne de signal et que chacun est relié à la terre en un lieu différent, le potentiel de terre diffère légèrement selon l’endroit. Cette différence de potentiel s’applique entre les deux appareils sous forme de tension de mode commun et peut se transformer en bruit de mode normal.
La « différence de filtre » entre mode commun et mode normal
Un filtre passe-bas ordinaire (filtre RC, filtre LC) ne peut supprimer que le mode normal. Pourquoi ? Parce qu’un chemin de dérivation pour le mode normal (le chemin de court-circuit à travers le condensateur) est prévu, mais qu’il n’y a pas de chemin pour dériver le mode commun.
Un filtre de mode commun possède un chemin pour dériver le mode commun (un condensateur vers la masse).
La self de mode commun (CMC)
Le composant central d’un filtre de mode commun est la self de mode commun (CMC). C’est une inductance dont les deux fils sont bobinés dans le même sens sur le même noyau :
- Courant de mode normal : les deux flux magnétiques s’annulent → inductance faible → laisse passer le signal
- Courant de mode commun : les deux flux magnétiques s’additionnent → inductance élevée → le bloque
Suppression par un récepteur différentiel
Un autre moyen, outre le filtre, est l’emploi d’un récepteur différentiel.
Un récepteur différentiel ne détecte que la « tension de différence (mode normal) » de ses deux entrées. Comme la composante de mode commun se dépose également sur les deux entrées, en prendre la différence l’annule.
Si des normes d’interface différentielle comme RS-422/RS-485 résistent bien aux longues distances et aux environnements bruités, c’est grâce à cette réception différentielle. Même entre des appareils qui ne partagent pas de masse, le signal peut être reçu tout en annulant le bruit de mode commun.
Résumé
- Le mode normal est la « tension de différence » des deux fils ; le mode commun est la « tension commune ».
- Le signal voulu est en mode normal. Le bruit se dépose dans l’un ou l’autre mode.
- Le bruit de mode commun peut être supprimé en exploitant la différence de mode — d’où « facile à supprimer ».
- Un filtre de mode commun (CMC + condensateurs Y) présente une haute impédance uniquement au mode commun.
- Un récepteur différentiel annule le mode commun et n’extrait que le signal.
Penser séparément le mode commun et le mode normal devient le critère de décision de toute mesure anti-bruit : choix du filtre, conception de la carte, choix des câbles, etc.
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