共模信號與差模信號

共模信號與差模信號

徠差模又稱串模,指的是兩根線之間的信號差值;而共模雜訊又稱對地雜訊,指的是兩根線分別對地的雜訊。

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。

設有兩個信號v1、v2,他們的共模信號為Vcom,差模信號為VDiff。

共模信號:就是這兩個信號共同擁有的那部分:(v1+v2)/2;

差模信號:就是這兩個信號各自擁有的那部分:對於v1,(v1-v2)/2;

對於v2,-(v1-v2)/2;

所以v1、v2分別表示為共模信號和差模信號之和。

註:因為差模信號是相位相反的,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。

簡介


差模信號又稱為常模、串模、線間感應和對稱信號等,在兩線電纜傳輸迴路,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,因為V1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生,另一種是傳輸過程中由電磁感應產生,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,以地為公共迴路;原則上講,這種干擾是比較容易消除的。在實際電路中由於線路阻抗不平衡,使共模信號干擾會轉化為不易消除的串擾干擾。

形態


對於一對信號線A、B,差模干擾相當於在A與B之間加上一個干擾電壓,共模干擾相當於分別在A與地、B與地之間加上一個干擾電壓;像平常看到的用雙絞線傳輸差分信號就是為了消除共模雜訊,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依然沒什麼變化,當然這是理想情況。比如說,RS422/485匯流排就是利用差分傳輸信號的一種具體應用。
實際應用中,溫度的變化各種環境雜訊的影響都可以視作為 共模干擾,但如果在傳輸過程中,兩根線的對地雜訊衰減的不一樣大,使得兩根線之間存在了電壓差,這時共模雜訊就轉變成了差模雜訊。差分信號不是一定要相對地來說的,如果一根線是接地的,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線是以雙螺旋形結構相互纏繞著。流過每根導線的電流所產生的磁場受螺旋形的制約。流過對絞線中每一根導線的電流方向,決定每對導線發射噪音的程度。在每對導線上流過差模和共模電流所引起的發射程度是不同的,差模電流引起的噪音發射是較小的,所以噪音主要是由共模電流決定。
1、對絞線中的差模信號
徠對純差模信號而言,它在每一根導線上的電流是以相反方向在一對導線上傳送。如果這一對導線是均勻的纏繞,這些相反的電流就會產生大小相等,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生射頻干擾。
2、對絞線中的共模信號
共模電流ICOM在兩根導線上以相同方向流動,並經過寄生電容Cp到地返回。在這種情況下,電流產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生一個電磁場,它的作用正如天線一樣。
在無屏蔽對絞線中,共模信號產生射頻干擾。
3、電纜線上產生的共模、差模噪音及其EMC
電子設備中電纜線上的噪音有從電源電纜和信號電纜上產生的輻射噪音和傳導噪音兩大類。這兩大類中又分為共模噪音和差模噪音兩種。
差模傳導噪音是電子設備內部噪音電壓產生的與信號電流或電源電流相同路徑的噪音電流,如圖7所示。減小這種噪音的方法是在信號線和電源線上串聯差模扼流圈、並聯電容或用電容和電感組成低通濾波器,來減小高頻的噪音,如圖8所示。
差模輻射噪音是圖7電纜中的信號電流環路所產生的輻射。這種噪音產生的電場強度與電纜到觀測點的距離成反比,與頻率的平方成正比,與電流和電流環路的面積成正比。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電纜;使用屏蔽電纜或扁平電纜,在相鄰的導線中傳輸迴流電流和信號電流,使環路面積減小。
共模傳導噪音是在設備內噪音電壓的驅動下,經過大地與設備之間的寄生電容,在大地與電纜之間流動的噪音電流產生的。減小共模傳導噪音的方法是在信號線或電源線中串聯共模扼流圈、在地與導線之間並聯電容器、組成LC濾波器進行濾波,濾去共模傳導雜訊。其電路如圖10所示。共模扼流圈是將電源線的零線和火線(或迴流線和信號線)同方向繞在鐵氧體磁芯上構成的,它對線間流動的差模信號電流和電源電流阻抗很小,而對兩根導線與地之間流過的共模電流阻抗則很大。
共模輻射噪音是由於電纜埠上有共模電壓,在其驅動下,從大地到電纜之間有共模電流流動而產生的。輻射的電場強度與電纜到觀測點的距離成反比,(當電纜長度比電流的波長短時)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,在電纜的埠處使用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。