共模信號(hào)與差模信號(hào)

簡(jiǎn)介

差模又稱(chēng)串模，指的是兩根線之間的信號(hào)差值；而共模噪聲又稱(chēng)對(duì)地噪聲，指的是兩根線分別對(duì)地的噪聲。差模信號(hào)：幅度相等，相位相反的信號(hào)，共模信號(hào)：幅度相等，相位相同的信號(hào)。

設(shè)有兩個(gè)信號(hào)v1、v2，他們的共模信號(hào)為VCOM，差模信號(hào)為VDIFF。

共模信號(hào)：就是這兩個(gè)信號(hào)共同擁有的那部分：（v1+v2）/2；

差模信號(hào)：就是這兩個(gè)信號(hào)各自擁有的那部分：對(duì)于v1，（v1-v2）/2；

對(duì)于v2，-（v1-v2）/2；

所以v1、v2分別表示為共模信號(hào)和差模信號(hào)之和。

注：因?yàn)椴钅Ｐ盘?hào)是相位相反的，所以（V1+V2）能將差模信號(hào)抵消掉，剩下的是共模信號(hào)的兩倍，因此共模信號(hào)Vcom=（V1+V2）/2。每一個(gè)信號(hào)是共模信號(hào)與差模信號(hào)的和，所以對(duì)V1而言差模信號(hào)為V1-（V1+V2）/2 = (v1-v2)/2; 對(duì)V2而言差模信號(hào)為V2- （v1+v2）/2 = -（v1-v2）/2。

差模信號(hào)又稱(chēng)為常模、串模、線間感應(yīng)和對(duì)稱(chēng)信號(hào)等，在兩線電纜傳輸回路，每一線對(duì)地電壓用符號(hào)V1和V2來(lái)表示。差模信號(hào)分量是VDIFF。純差模信號(hào)是：V1=－V2；其大小相等，相位差180°；VDIFF=V1－V2，因?yàn)閂1和V2對(duì)地是對(duì)稱(chēng)的，所以地線上沒(méi)有電流流過(guò)。所有的差模電流（IDIFF）全流過(guò)負(fù)載。差模干擾侵入往返兩條信號(hào)線，方向與信號(hào)電流方向一致，其一種是由信號(hào)源產(chǎn)生，另一種是傳輸過(guò)程中由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，它和信號(hào)串在一起且同相位，這種干擾一般比較難以抑制。

共模信號(hào)又稱(chēng)為對(duì)地感應(yīng)信號(hào)或不對(duì)稱(chēng)信號(hào)，共模信號(hào)分量是VCOM，純共模信號(hào)是：VCOM=V1=V2；大小相等，相位差為0°；V3=0。干擾信號(hào)侵入線路和接地之間，干擾電流在兩條線上各流過(guò)二分之一，以地為公共回路；原則上講，這種干擾是比較容易消除的。在實(shí)際電路中由于線路阻抗不平衡，使共模信號(hào)干擾會(huì)轉(zhuǎn)化為不易消除的串?dāng)_干擾。

例如，對(duì)于一對(duì)信號(hào)線A、B，差模干擾相當(dāng)于在A與B之間加上一個(gè)干擾電壓，共模干擾相當(dāng)于分別在A與地、B與地之間加上一個(gè)干擾電壓；像平?？吹降挠秒p絞線傳輸差分信號(hào)就是為了消除共模噪聲，原理很簡(jiǎn)單，兩線擰在一起，受到的共模干擾電壓很接近， Ua - Ub依然沒(méi)什么變化，當(dāng)然這是理想情況。比如說(shuō)，RS422/485總線就是利用差分傳輸信號(hào)的一種具體應(yīng)用。

實(shí)際應(yīng)用中，溫度的變化各種環(huán)境噪聲的影響都可以視作為共模干擾，但如果在傳輸過(guò)程中,兩根線的對(duì)地噪聲衰減的不一樣大，使得兩根線之間存在了電壓差，這時(shí)共模噪聲就轉(zhuǎn)變成了差模噪聲。差分信號(hào)不是一定要相對(duì)地來(lái)說(shuō)的，如果一根線是接地，那他們的差值就是相對(duì)地的值了，這就是模擬電路中講過(guò)的差分電路的單端輸入情況。

用途

差模和共模信號(hào)及其在無(wú)屏蔽對(duì)絞線中的EMC，在對(duì)絞電纜線中的每一根導(dǎo)線是以雙螺旋形結(jié)構(gòu)相互纏繞著。流過(guò)每根導(dǎo)線的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)受螺旋形的制約。流過(guò)對(duì)絞線中每一根導(dǎo)線的電流方向，決定每對(duì)導(dǎo)線發(fā)射噪音的程度。在每對(duì)導(dǎo)線上流過(guò)差模和共模電流所引起的發(fā)射程度是不同的，差模電流引起的噪音發(fā)射是較小的，所以噪音主要是由共模電流決定。

1、對(duì)絞線中的差模信號(hào)

對(duì)純差模信號(hào)而言，它在每一根導(dǎo)線上的電流是以相反方向在一對(duì)導(dǎo)線上傳送。如果這一對(duì)導(dǎo)線是均勻的纏繞，這些相反的電流就會(huì)產(chǎn)生大小相等，反向極化的磁場(chǎng)，使它的輸出互相抵消。在無(wú)屏蔽對(duì)絞線中，不含噪音的差模信號(hào)不產(chǎn)生射頻干擾。

2、對(duì)絞線中的共模信號(hào)

共模電流ICOM在兩根導(dǎo)線上以相同方向流動(dòng)，并經(jīng)過(guò)寄生電容Cp到地返回。在這種情況下，電流產(chǎn)生大小相等極性相同的磁場(chǎng)，它們的輸出不能相互抵消。共模電流在對(duì)絞線的表面產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，它的作用正如天線一樣。在無(wú)屏蔽對(duì)絞線中，共模信號(hào)產(chǎn)生射頻干擾。

3、電纜線上產(chǎn)生的共模、差模噪音及其EMC

電子設(shè)備中電纜線上的噪音有從電源電纜和信號(hào)電纜上產(chǎn)生的輻射噪音和傳導(dǎo)噪音兩大類(lèi)。這兩大類(lèi)中又分為共模噪音和差模噪音兩種。差模傳導(dǎo)噪音是電子設(shè)備內(nèi)部噪音電壓產(chǎn)生的與信號(hào)電流或電源電流相同路徑的噪音電流。減小這種噪音的方法是在信號(hào)線和電源線上串聯(lián)差模扼流圈、并聯(lián)電容或用電容和電感組成低通濾波器，來(lái)減小高頻的噪音。

差模輻射噪音是電纜中的信號(hào)電流環(huán)路所產(chǎn)生的輻射。這種噪音產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度與電纜到觀測(cè)點(diǎn)的距離成反比，與頻率的平方成正比，與電流和電流環(huán)路的面積成正比。因此，減小這種輻射的方法是在信號(hào)輸入端加LC低通濾波器阻止噪音電流流進(jìn)電纜;使用屏蔽電纜或扁平電纜，在相鄰的導(dǎo)線中傳輸回流電流和信號(hào)電流，使環(huán)路面積減小。

共模傳導(dǎo)噪音是在設(shè)備內(nèi)噪音電壓的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)過(guò)大地與設(shè)備之間的寄生電容，在大地與電纜之間流動(dòng)的噪音電流產(chǎn)生的。減小共模傳導(dǎo)噪音的方法是在信號(hào)線或電源線中串聯(lián)共模扼流圈、在地與導(dǎo)線之間并聯(lián)電容器、組成LC濾波器進(jìn)行濾波，濾去共模傳導(dǎo)噪聲。共模扼流圈是將電源線的零線和火線（或回流線和信號(hào)線）同方向繞在鐵氧體磁芯上構(gòu)成的，它對(duì)線間流動(dòng)的差模信號(hào)電流和電源電流阻抗很小，而對(duì)兩根導(dǎo)線與地之間流過(guò)的共模電流阻抗則很大。

共模輻射噪音是由于電纜端口上有共模電壓，在其驅(qū)動(dòng)下，從大地到電纜之間有共模電流流動(dòng)而產(chǎn)生的。輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度與電纜到觀測(cè)點(diǎn)的距離成反比，（當(dāng)電纜長(zhǎng)度比電流的波長(zhǎng)短時(shí)）與頻率和電纜的長(zhǎng)度成正比。減小這種輻射的方法有：通過(guò)在線路板上使用地線面來(lái)降低地線阻抗，在電纜的端口處使用LC低通濾波器或共模扼流圈。另外，盡量縮短電纜的長(zhǎng)度和使用屏蔽電纜也能減小輻射。

差分傳輸線

差分傳輸線就是指一對(duì)具有相識(shí)的電氣特性的單體傳輸線組成的互相耦合的傳輸線。本質(zhì)上與傳輸線的特性無(wú)異的，只是差分傳輸線是由兩個(gè)傳輸線組成。差分傳輸線按幾何形狀來(lái)劃分的話可以分為微帶差分傳輸線、帶狀差分傳輸線、雙絞差分傳輸線、共面差分傳輸線等等。一般決定它們電氣特性的是差分傳輸線線的相似對(duì)稱(chēng)度、兩條導(dǎo)線的均勻度以及這兩條傳輸線的相對(duì)位置。差分傳輸線上傳輸?shù)木哂谢パa(bǔ)特性的信號(hào)，在差分傳輸線中一個(gè)傳輸信號(hào)，而另一個(gè)傳輸這個(gè)信號(hào)的互補(bǔ)信號(hào)。這樣這源端需要分別對(duì)這兩個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)，在接收端接受這兩個(gè)信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)的差值就是差分信號(hào)。嚴(yán)格的來(lái)說(shuō)差分傳輸線上只有差分信號(hào)就足夠了，但實(shí)際還存在一個(gè)不傳遞任何信號(hào)的共模信號(hào)。共模信號(hào)被定義為這兩條傳輸線上的電壓的平均值。

在理想情況下，通常認(rèn)為只有差分信號(hào)在變化而共模信號(hào)是不變的，共模信號(hào)就像直流電一樣是恒定的，這樣這個(gè)恒定的電壓不會(huì)帶來(lái)任何信號(hào)完整性問(wèn)題。但實(shí)際復(fù)雜的電磁環(huán)境在各種干擾使得共模信號(hào)不再是恒定的，共模信號(hào)的變化會(huì)引起各種潛在的問(wèn)題，如果共模信號(hào)的電壓值過(guò)高會(huì)導(dǎo)致下級(jí)電路出現(xiàn)過(guò)飽和現(xiàn)象，共模信號(hào)的變化會(huì)引起潛在的 EMI，實(shí)際上共模信號(hào)的變化引起的輻射干擾往往是遠(yuǎn)大于差模信號(hào)就產(chǎn)生的干擾。差分傳輸線有其于單根傳輸線的特點(diǎn)，首先差分傳輸線是緊耦合的，差分信號(hào)是兩個(gè)傳輸線上的電壓之差，有良好的抗傳導(dǎo)干擾、輻射干擾特性，適合高速重要信號(hào)的布線；差分傳輸線是有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這樣得到的dI/dt要是單端傳輸線的兩倍，減低了存在 EMI 和軌道塌陷的影響；再者差分傳輸線得到是兩個(gè)信號(hào)的差值，得到了兩倍于信號(hào)電壓的信號(hào)增益；其次每一路信號(hào)都有自己的回路，對(duì)于阻抗不連續(xù)、串?dāng)_有更好的抗干擾性，對(duì)開(kāi)關(guān)噪聲有較強(qiáng)的抵抗能力；最后差分傳輸線可以由廉價(jià)的雙絞線來(lái)實(shí)現(xiàn)傳輸，成本低廉易于大規(guī)模使用。

差分傳輸線中不僅僅有傳遞信號(hào)的差模信號(hào)，還有不傳播任何信息的共模信號(hào)，在理想的情況下差模信號(hào)與共模信號(hào)是不存在互相轉(zhuǎn)化的。但現(xiàn)實(shí)情況不是理想的，差分傳輸線會(huì)不均勻，像拐角這樣的物理結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)，芯片與傳輸線的接頭都會(huì)使得信號(hào)的相位差不再是180度，會(huì)引起兩條差分傳輸線電壓的錯(cuò)位，差分信號(hào)轉(zhuǎn)化成共模信號(hào)，共模信號(hào)轉(zhuǎn)化為差模信號(hào)。

差模信號(hào)與共模信號(hào)的轉(zhuǎn)化是由于差分傳輸線不對(duì)稱(chēng)造成的，造成不對(duì)稱(chēng)的原因很多，差分傳輸線的長(zhǎng)度差像拐角、差分傳輸線由于刻蝕差異造成傳輸線特性阻抗不同、兩個(gè)傳輸線的差異性耦合、臨近效應(yīng)、終端差異，彎曲等等都可能是造成差模信號(hào)與共模信號(hào)的轉(zhuǎn)化。這種轉(zhuǎn)化我們可以理解為兩條傳輸線的延遲是不同的，當(dāng)信號(hào)在傳輸線上傳播由于到達(dá)終端的延遲是不同的，一個(gè)早一些到達(dá)，這樣就會(huì)產(chǎn)生相位差，將部分差模信號(hào)轉(zhuǎn)化成共模信號(hào)。轉(zhuǎn)化的為共模信號(hào)的多少由信號(hào)頻率、傳輸線的長(zhǎng)度、兩條傳輸線上的信號(hào)時(shí)延差所決定的。