共模信號與差模信號

簡介

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

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

共模信號：就是這兩個(gè)信號共同擁有的那部分：（v1+v2）/2；

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

對于v2，-（v1-v2）/2；

所以v1、v2分別表示為共模信號和差模信號之和。

注：因?yàn)椴钅Ｐ盘柺窍辔幌喾吹?，所以（V1+V2）能將差模信號抵消掉，剩下的是共模信號的兩倍，因此共模信號Vcom=（V1+V2）/2。每一個(gè)信號是共模信號與差模信號的和，所以對V1而言差模信號為V1-（V1+V2）/2 = (v1-v2)/2; 對V2而言差模信號為V2- （v1+v2）/2 = -（v1-v2）/2。

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

共模信號又稱為對地感應(yīng)信號或不對稱信號，共模信號分量是VCOM，純共模信號是：VCOM=V1=V2；大小相等，相位差為0°；V3=0。干擾信號侵入線路和接地之間，干擾電流在兩條線上各流過二分之一，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，使共模信號干擾會(huì)轉(zhuǎn)化為不易消除的串?dāng)_干擾。

例如，對于一對信號線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絞線傳輸差分信號就是為了消除共模噪聲，原理很簡單，兩線擰在一起，受到的共模干擾電壓很接近， Ua - Ub依然沒什么變化，當(dāng)然這是理想情況。比如說，RS422/485總線就是利用差分傳輸信號的一種具體應(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，但如果在傳輸過程中,兩根線的對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。差分信號不是一定要相對地來說的，如果一根線是接地，那他們的差值就是相對地的值了，這就是模擬電路中講過的差分電路的單端輸入情況。

用途

差模和共模信號及其在無屏蔽對絞線中的EMC，在對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。流過每根導(dǎo)線的電流所產(chǎn)生的磁場受螺旋形的制約。流過對絞線中每一根導(dǎo)線的電流方向，決定每對導(dǎo)線發(fā)射噪音的程度。在每對導(dǎo)線上流過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、對絞線中的差模信號

對純差模信號而言，它在每一根導(dǎo)線上的電流是以相反方向在一對導(dǎo)線上傳送。如果這一對導(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，使它的輸出互相抵消。在無屏蔽對絞線中，不含噪音的差模信號不產(chǎn)生射頻干擾。

2、對絞線中的共模信號

共模電流ICOM在兩根導(dǎo)線上以相同方向流動(dòng)，并經(jīng)過寄生電容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，它們的輸出不能相互抵消。共模電流在對絞線的表面產(chǎn)生一個(gè)電磁場，它的作用正如天線一樣。在無屏蔽對絞線中，共模信號產(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電纜上產(chǎn)生的輻射噪音和傳導(dǎo)噪音兩大類。這兩大類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，來減小高頻的噪音。

差模輻射噪音是電纜中的信號電流環(huán)路所產(chǎn)生的輻射。這種噪音產(chǎn)生的電場強(qiáng)度與電纜到觀測點(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（或回流線和信號線）同方向繞在鐵氧體磁芯上構(gòu)成的，它對線間流動(dòng)的差模信號電流和電源電流阻抗很小，而對兩根導(dǎo)線與地之間流過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。輻射的電場強(qiáng)度與電纜到觀測點(diǎn)的距離成反比，（當(dāng)電纜長度比電流的波長短時(shí)）與頻率和電纜的長度成正比。減小這種輻射的方法有：通過在線路板上使用地線面來降低地線阻抗，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具有相識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稱度、兩條導(dǎo)線的均勻度以及這兩條傳輸線的相對位置。差分傳輸線上傳輸?shù)木哂谢パa(bǔ)特性的信號，在差分傳輸線中一個(gè)傳輸信號，而另一個(gè)傳輸這個(gè)信號的互補(bǔ)信號。這樣這源端需要分別對這兩個(gè)信號驅(qū)動(dòng)，在接收端接受這兩個(gè)信號，這兩個(gè)信號的差值就是差分信號。嚴(yán)格的來說差分傳輸線上只有差分信號就足夠了，但實(shí)際還存在一個(gè)不傳遞任何信號的共模信號。共模信號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)為只有差分信號在變化而共模信號是不變的，共模信號就像直流電一樣是恒定的，這樣這個(gè)恒定的電壓不會(huì)帶來任何信號完整性問題。但實(shí)際復(fù)雜的電磁環(huán)境在各種干擾使得共模信號不再是恒定的，共模信號的變化會(huì)引起各種潛在的問題，如果共模信號的電壓值過高會(huì)導(dǎo)致下級電路出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象，共模信號的變化會(huì)引起潛在的 EMI，實(shí)際上共模信號的變化引起的輻射干擾往往是遠(yuǎn)大于差模信號就產(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，適合高速重要信號的布線；差分傳輸線是有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號，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)信號的差值，得到了兩倍于信號電壓的信號增益；其次每一路信號都有自己的回路，對于阻抗不連續(xù)、串?dāng)_有更好的抗干擾性，對開關(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的差模信號，還有不傳播任何信息的共模信號，在理想的情況下差模信號與共模信號是不存在互相轉(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)不對稱，芯片與傳輸線的接頭都會(huì)使得信號的相位差不再是180度，會(huì)引起兩條差分傳輸線電壓的錯(cuò)位，差分信號轉(zhuǎn)化成共模信號，共模信號轉(zhuǎn)化為差模信號。

差模信號與共模信號的轉(zhuǎn)化是由于差分傳輸線不對稱造成的，造成不對稱的原因很多，差分傳輸線的長度差像拐角、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與共模信號的轉(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，將部分差模信號轉(zhuǎn)化成共模信號。轉(zhuǎn)化的為共模信號的多少由信號頻率、傳輸線的長度、兩條傳輸線上的信號時(shí)延差所決定的。