共模干扰与差模干扰Word文档格式.docx

1、传输线的差模状态：当两根耦合的传输线相互之间的驱动信号幅值相同但相位相差180 度的时候，就是一个差模传输的模型。此情况下，传输线的等效电容因为互容的加倍而增加，但是等效电感因为互感的减小而变小。任何电源线上传导干扰信号，均可用差模和共模干扰信号来表示。差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰；共模干扰在导线与地（机壳）之间传输，属于非对称性干扰。在一般情况下，差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰较小，共模干扰幅度大、频率高，还可以通过导线产生辐射，所造成的干扰较大。因此，欲削弱传导干扰，把EMI信号控制在有关EMC标准规定的极限电平以下。除抑制干扰源以外，最有效的方法就是在开关电源输入和输出

2、电路中加装EMI滤波器。开关电源的工作频率约为10100 kHz。EMC很多标准规定的传导干扰电平的极限值都是从10 kHz算起。对开关电源产生的高频段EMI信号，只要选择相应的去耦电路或网络结构较为简单的EMI滤波器，就不难满足符合EMC标准的滤波效果。差模传导噪音是电子设备内部噪音电压产生的与信号电流或电源电流相同路径的噪音电流。减小这种噪音的方法是在信号线和电源线上串联差模扼流圈、并联电容或用电容和电感组成低通滤波器，来减小高频的噪音。噪音产生的电场强度与电缆到观测点的距离成反比，与频率的平方成正比，与电流和电流环路的面积成正比。因此，减小这种辐射的方法是在信号输入端加LC低通滤波器阻止

3、噪音电流流进电缆；使用屏蔽电缆或扁平电缆，在相邻的导线中传输回流电流和信号电流，使环路面积减小。共模传导噪音是在设备内噪音电压的驱动下，经过大地与设备之间的寄生电容，在大地与电缆之间流动的噪音电流产生的。减小共模传导噪音的方法是在信号线或电源线中串联共模扼流圈、在地与导线之间并联电容器、组成LC滤波器进行滤波，滤去共模噪声。噪音辐射的电场强度与电缆到观测点的距离成反比，与频率和电缆的长度成正比。共模信号与差模信号辨析差模又称串模,指的是两根线之间的信号差值；而共模噪声又称对地噪声,指的是两根线分别对地的噪声。对于一对信号线A、B，差模干扰相当于在A与B之间加上一个干扰电压，共模干扰相当于分别在

4、A与地、B与地之间加上一个干扰电压；像平常看到的用双绞线传输差分信号就是为了消除共模噪声，原理很简单，两线拧在一起，受到的共模干扰电压很接近， Ua - Ub依然没什么变化，当然这是理想情况。比如说，RS422/485总线就是利用差分传输信号的一种具体应用。实际应用中，温度的变化各种环境噪声的影响都可以视作为共模噪声信号，但如果在传输过程中,两根线的对地噪声哀减的不一样大,使得两根线之间存在了电压差,这时共模噪声就转变成了差模噪声。差分信号不是一定要相对地来说的，如果一根线是接地的，那他们的差值就是相对地的值了，这就是模拟电路中讲过的差分电路的单端输入情况。差分放大器，差模输入差模是相对共模来

5、说的。差分是一种方式。差模共模信号，差分放大电路举例来说，假如一个ADC有两个模拟输入端，并且AD转换结果取决于这两个输入端电压之差，那么我们说这个ADC是差分输入的，并把这两个模拟输入端合在一起叫做差分输入端。但是加在差分输入端上的电压并不一定总是大小相等方向相反，甚至很多情况下是同符号的。（注：即不一定是一正一负）我们把它们的差叫做差模输入，而把它们共有的量（即平均值）叫做共模输入。差分是一种电路形式的叫法.差模是对信号的定义.（想对来说有共模.）差动=差分回答：差模信号：大小相等，方向相反的交流信号，共模信号：大小相等。方向相同。在差分放大电路中，经常提到共模信号和差模信号，在差分放大电

6、路中共模信号是不会被放大的，可以理解为三极管的温漂引起的电流型号，为了形象化温漂而提出了共模信号，差模信号为输入信号，就是Ui,就是放大的对象。在差动放大电路中，有两个输入端，当在这两个端子上分别输入大小相等、相位相反的信号，（这是有用的信号）放大器能产生很大的放大倍数，我们把这种信号叫做差模信号，这时的放大倍数叫做差模放大倍数。如果在两个输入端分别输入大小相等，相位相同的信号，（这实际是上一级由于温度变化而产生的信号，是一种有害的东西），我们把这种信号叫做共模信号，这时的放大倍数叫做共模放大倍数。由于差动放大电路的构成特点，电路对共模信号有很强的负反馈，所以共模放大倍数很小。（一般都小于1）

7、计算公式又分为单端输出和双端输出，所以有四个共模信号和差模信号是指差动放大器双端输入时的输入信号。共模信号：双端输入时，两个信号相同。双端输入时，两个信号的相位相差180度。任何两个信号都可以分解为共模信号和差模信号。设两路的输入信号分别为： A,B.m,n分别为输入信号A，B的共模信号成分和差模信号成分。输入信号A，B可分别表示为：A=m+n；B=m-n则输入信号A,B可以看成一个共模信号 m 和差模信号 n 的合成。其中m=（A+B）/2；n=（A-B）/2。差动放大器将两个信号作差，作为输出信号。则输出的信号为A-B，与原先两个信号中的共模信号和差模信号比较，可以发现：共模信号m=（A+

8、B）/2不见了，而差模信号n=（A-B）/2得到两倍的放大。这就是差模放大器的工作原理。差分信号，有些也称差动信号，用两根完全一样，极性相反的信号传输一路数据，依靠两根信号电平差进行判决。为了保证两根信号完全一致，在布线时要保持并行，线宽、线间距保持不变。就是差动电路中用到的信号）对于差分电路，其差分信号的基准电平就是共模电压，基准电压之外的大小相等，方向相反的信号堪称差模信号，比如lvds基准电平为1.2V，差分幅度输出为350mV400mV，输入阈值为100mV （理解共模信号是怎样产生和怎样抑制的，必须先理解一般电缆结构中遮罩和接地之间的互感作用。以下详细说明了共模信号的特点，回顾了一般

9、电缆的结构特点的相关知识，把遮罩和非遮罩电缆进行了对比，说明了在实际应用中典型的接地方式。讨论了共模信号是怎样产生和怎样抑制的。主要集中讨论RS485/RS-422电缆和信号，这些内容同时适用於电话、音频、视频和电脑网络信号。1、共模信号的定义以局部共通端或者接地为参考，共模信号就在双线电缆的两根线上出现，幅度和相位都相同。很明显，当双线中的一根接到地时共模信号就不会出现。技术上共模电压是平衡电路各导体对地电压的向量和的一半，这种信号可由下面一个或者多个因素引起（a）射频信号同时耦合到双线上 。（b）驱动电路中信号公共地端的偏置产生。（c）发射和接收端之间存在地电位差 。後面我们会更详细介绍。

10、然而在进行更详细的介绍之前有必要先了解不同的电缆结构、信号地的一般情况和遮罩地的实际知识。2、一般数据发送系统数据发送系统的主要目的就是把数据从一个地方发送到另外一个地方，不管是在一个机箱内或者在一定范围内，在一定范围内的机箱和机箱之间，特定区域或者建筑内的特定区域之间或者是建筑物之间。图1举例说明了由不同电源电路供电的建筑物内的RS-485信号发射情形。图1、这个普通的系统在两个高度独立的建筑物之间发送数据，可以看出在单相供电系统接地点之间产生的地电流。这种情况也同时发生在3相、Y形连接系统中。把一个电力用户的中线连接到电力接入点埋在地下的接地棒，从而得到电力线中线作为安全地。用裸线或者绿色

11、绝缘线把安全地引到所有的电出口安装设备。工业底盘一般在底盘的电源输入点接到安全地，这样整个底盘就是安全地。电路共地经常是以一点或者多点连接到底盘，但是最好每个底盘配备一个单独的接地点。在某些情况下，电路共地可能会跟底盘和机箱地绝缘。漏电电流从机器绕组通过安全地流到机箱，或者更加常见的情况，在电力分配系统中，因为交流初级或者次级中线电流，漏电电流在地和大地之间流动，从而在中线和底盘和机箱地之间产生电位差。地电位差可在几伏到几十伏之间变化。在单相或者三相Y形连接系统中，地电位差最高，因为在这两种电路中大地流动的中线电流有可能达到主电路流动的总的中线电流的1070。从地点到地点测定的电压峰值一般在0

12、.2V到5V之间，在高度隔离的地之间会高达65V，不过这种情况很罕见。3、电缆和噪声由於电容对附近电场（E）的耦合、电感对局部磁场的耦合（M）、空间射频信号的电磁耦合（EM）和有意或者无意的电路通道传导（C），就会出现噪声信号。耦合信号以与单根线或者多根线串联的附加信号出现（如图2）。表2按类别列出了电缆中潜在的噪声源。双绞线同时截取耦合信号，因此附加信号仅以共模信号的形式出现。如果各根线连到本地共地端的阻抗是相同的话，我们认为这样的传输线是平衡的。图2、这些传输电缆的结构说明了可能的噪声源的位置表1、电缆的种类和应用描述通过的回路典型应用单线电缆大地或者底盘框架早期电话和电报电路，自动配电单

13、线遮罩电缆遮罩层单线遮罩麦克风电缆或者视频或者射频信号同轴电缆非遮罩并行双线双线中的第二根线发信或者交流电力分配非遮罩双绞线（UTP）单线电话，发信或者数据电缆遮罩双绞线（STP）平衡麦克风电缆，双轴射频电缆或者遮罩数据发送电缆多股非遮罩双绞线每对双绞线中的第二根线26对电话电缆和4对EIA/TIA指定种类1到6多股遮罩双绞线内部通信电缆和EIA/TIA CAT5 D类或者CAT7表2、上面列出的电缆的噪声源En1En2En3En4说明单线电缆，大地或者底盘框架回流辐射E、EM或者M地电流接收电路必须对负载的en1+en2的和不敏感如果辐射或者传导噪声进入主导导体非遮罩部分或者在电缆末端信号源

14、公共端和接地点间出现沿著遮罩层辐射、E、EM或者 M如果遮罩层两端都接地会被外部接地通道中流动的电流传导铜遮罩层对电感耦合噪声无效。如果不存在电感耦合en1无关紧要，从信号源到负载都有遮罩，信号源和负载接地点直接连接到电路公共端辐射E 、EM或者 M如果线是平行的并且靠的很近，en1和en2可以部分消除非遮罩双绞线（UTP）或者多股非遮罩双绞线双线使en1和en2在幅度和相位上相等。接收电路必须能够抑制VCM信号。遮罩双绞线（STP）或者多股遮罩双绞线辐射M沿著遮罩层辐射E、 EM或者 Men3和en4均不会出现在信号通道，但是如果遮罩层两端都接地的话可能会导致环流出现。如果存在en1和en2

15、，接收电路必须抑制VCM信号。4、电路和遮罩接地靠大地实现回路的信号线信号公共线在信号源端和负载端被大地（底盘）连接到大地地线。电路公共端也必须连接到大地（底盘）接地。单线遮罩信号电流通常通过遮罩层，因此在信号源端和负载端都必须连到电路公共端。表3列出了多种情况下的遮罩接地。表3、单线遮罩电缆遮罩接地形式遮罩接地条件信号源浮接仅在负载端信号源用电池供电或者是不用供电的变换器，例如麦克风，虽然麦克风外壳可能连接到遮罩层负载浮接仅在信号源端负载是绝缘的，例如用电池供电的设备。这种线路可能用来向遥控的非接地负载发送信号，例如有单独接地面的天线。信号源和负载都接地两端都要信号源和负载地等电位。另外遮罩

16、层中的环流成为信号通道上的一个噪声源。这样使用的双接地仅用在单机箱或者一个小范围内，或者在几个小区域之间共用等电位接地公共端，或者根本就没有底盘接地。家用娱乐系统中的音频和视频电缆是本应用的一个例子。双线并行:每根导体上的信号电流相等，但是电流方向相反。表4列出不同条件下的线接地连接。表4、双线并行电缆的线接地状态接地信号源用电池供电信号源是电子信号源而负载是无源负载或者非电子负载（麦克风或者扬声器）。一般在电力进入企业用户的交流电力分配系统中见到。信号源和负载均接地例如RS-232电子发信系统。注意RS232一般使用双绞线电缆信号源和负载浮接两端都不变压器耦合发信系统（门铃或者其他呼叫系统）

17、。这些系统一般不会受到可能出现的低电平噪声信号影响。非遮罩双绞线任何驱动或者接收电路都可能连接到本地公共端或者底盘接地，但是把发送线本身连接到底盘接地是不必要的和不合理的。一个差动信号或者平衡信号源（例如非遮罩RS-422或者RS485数据传输电路）传输数据到一个遥控区域，该区域中信号源和负载电路都是以局部接地或者公共端为参考的。变压器耦合应用包括10/100M基T乙太网电缆。遮罩双绞线把遮罩双绞线的遮罩层接地通过遮罩层避开了任何不需要的信号或者噪声。典型的遮罩材料（铜和铝）可以使内部导体遮罩掉通过电容耦合或者电磁耦合的信号，但是对电感耦合的信号则无能为力。使用遮罩双绞线传输平衡信号应该把遮罩

18、层一端接地通常在接收端。如果发送端接地携带有与接收端不同的噪声信号，两端接地会使电流沿著遮罩层流动。如果两个接地端不存在电位差则双端接地也是可以的。这样配置的电路包括RS-422和RS-485数据发送电路。RS-485应用向导建议把遮罩层接到大地 直接接或者通过一个保险电阻在电缆遮罩层的一端接或者两端都接。5、信号模式定义电缆中的电信号可以分为一般信号、差模信号和共模信号。一般信号是在两根线之间出现的一种信号（不同於共模信号），或者是一根单线以大地、机箱或者遮罩层为参考（或者通过它形成回路）的信号。一般信号可通过一个平衡或者不平衡发送通道中的两根线之间读出。（对平衡双线通道，一根线是驱动正信号

19、而另外一根线驱动大小一样的负信号，两个信号都跟一个静态或者没有信号的条件相关，这个条件中两根线对电路公共端的电压都是一样的。）差模信号以差分的形式出现在未接地的双线电缆结构中。共模信号以相同的形式出现在没有接大地、遮罩层或者局部公共端的双线电缆的两根线中，它通常但不总是一种不期望出现的接收电路应该抑制的信号。共模电压用两个信号电压对局部接地或者公共端的平均值来表示图3是一个3V差动信号叠加在一个2.5V共模电压上的情况。直流分量是单电源差动数据发送操作的典型。共模电压可能是交流、直流或者交流和直流的叠加。（图3描述的是最简单的情况一个没有交流分量的直流共模电压。图3、典型RS-485发送器产生

20、的一个共模直流偏置电压当电缆很长时（RS485数据电缆可能很长），原始信号的公共端或者地端可能不像接收端一样具有相同的电压。RS-485规范建议把驱动电路公共端接到外壳地，直接接地或者经过100电阻接地。结果如图4。信号共模可以看成是一个等於地电压差、驱动偏置电压和任何在发射机和接收机之间的信号通道上产生的纵向耦合噪声电压的向量和的共模电压。图4、可能在双线数据发送系统中出现的3种典型的共模信号（eGD, eLC, 和 EOS）6、共模信号的起源共模电压的3个起源是图4中所说的eGD, eLC和 EOS。EOS是由图3所示单电压供电的差动驱动电路引入的一个典型的直流偏移量。eGD是一个描述发送

21、端和接收端的地电位差的噪声信号。它通常是一个包含电力线频率基波和可能的几个谐波的交流信号。eLC是一个同时在两根发送线上产生的纵向耦合噪声信号，产生的主要原因是外部信号源的电容耦合、电磁耦合或者电感耦合。7、尽量减小共模信号使用双电源供电的差模驱动器可以把 EOS 减小到很小甚至把它消除。相比起来，eGD 仅可以通过尽量保证发送端和接收端相对近的距离来减小。eLC 可以通过使用双绞线来使它最小化电缆引人的噪声在两根紧绕的线上都会产生。另外，相对干扰电场来说因为线的非对称性，所以会存在一般信号。负载必须是对称的，意思是双绞线的两根线上的电阻性或者电容性负载阻抗必须匹配。电感耦合信号只有通过电磁遮

22、罩才能防止。（注意任何载流导线都是电磁辐射的信号源。8、抑制共模信号在接收电路中必须抑制共模信号VCM。当接收电路是无源的（耳机或者扬声器）、变压器耦合、隔离的并且用电池供电或者其他不以任何方式以发送电路公共端为参考（不管是容性或者是电阻性连接）的时候是非常容易实现的。这些结构天生对共模信号具有免疫能力，但是以发送电路公共端作为参考的接收电路必须按能接收在它们上面出现的所有共模信号设计。这样的设计需要具有高共模抑制比（CMR）的差动接收机。如果VCM 的幅度相对较低，用一个单独的高共模抑制比接收机就足够了。9、高共模抑制比接收机是怎样工作的所有高共模抑制比接收机或者由差动对管构成或者由三级放大

23、器组成的传统仪器放大器构成，如图5所示。在共模电压到来时，每个放大器接收一个差动输入，这些放大器都具有比电源电压稍小的共模抑制。这种电路对模拟信号和数字信号都有效。图5、差动放大器具有很高的共模抑制比如果VCM超过接收机的共模抑制范围就必须使用额外的隔离措施。大多数这样的电路都需要使用变压器耦合的隔离电源，再配合下面任何一项措施光耦合电路电容耦合差动电路电感耦合电路电阻耦合差动电路图6所示的措施可以在幅度很大的共模信号出现时将信号通过隔离物体耦合，它们靠的就是采用变压器耦合的隔离电源。隔离电压的极限由变压器和所选用的隔离方法决定，要隔离2500V或者更高的电压，采用变压器耦合、光耦合和电容耦合技术比较实际。电阻耦合通常局限於50V到100V的范围。图6、获得高共模抑制比的隔离措施和典型元件电阻耦合要求传送数据经过一个对数据和共模信号均具有衰减作用的电阻衰减器，因此当接收小信号的原始信号时，电阻隔离受到接收电路可容纳的共模信号大小的限制。图6中，不同隔离驱动器对隔离电源的需求不同。由於现在的电源不采用电感耦合器件，因此需要使用外部隔离电源。因此，一旦知道入侵共模信号的信号源和幅度，你就可以灵活选择电缆的型号和隔离措施。你仅需测量和计算干扰信号的幅度，接著选择元件来满足系统的需求。