电路基础之：差模信号与共模信号

概述

​   用简单的两线电缆，在它的终端接有负载阻抗，每一线对地的电压用符号V1和V2来表示。差模信号分量是VDIFF，共模信号分量是VCOM，电缆和地之间存在的寄生电容是Cp。其电路如图1所示，其波形如图2所示。
两种信号的特点
差模分量：大小相等，相位相反
共模分量：大小相等，相位相同
差模信号


两个大小相等、极性相反的一对信号称为差模信号。
差模输入差动放大电路输入差模信号时，称为差模输入。差模输入使两管的集电极电流一增一减，相应两管的集电极电位也一增一减，于是有输入电流出现。差模信号分量是VDIFF
纯差模信号是：V1=－V2（1）
大小相等，相位差是180°。
VDIFF=V1－V2（2）
因为V1和V2对地是对称的，所以地线上没有电流流过。所有的差模电流（IDIFF）全流过负载。
在以电缆传输信号时，差模信号是作为携带信息“想要”的信号。局域网（LAN）和通信中应用的无线收发机的结构中安装的都是差模器件。两个电压（V1+V2）瞬时值之和总是等于零。
共模信号


两个大小相等、极性相同的一对信号称为共模信号。
差动放大电路输入共模信号时，称为共模输入。
共模信号分量是VCOM
纯共模信号是：
V1=V2=VCOM（3）
大小相等，相位差为0°
V3=0（4）
共模信号的电路如图3所示，其波形如图4所示。
因为在负载两端没有电位差，所以没有电流流过负载。所有的共模电流都通过电缆和地之间的寄生电容流向地线。在以电缆传输信号时，因为共模信号不携带信息，所以它是“不想要”的信号。
两个电压瞬时值之和（V1+V2）不等于零。相对于地而言，每一电缆上都有变化的电位差。这变化的电位差就会从电缆上发射电磁波。
共模抑制比

定义：输入端口短路线中点对地加电压和输入端口两点之间电压的比。
共模抑制比用作描述信号接收器输入端口对地平衡度的一个参数。
CMRR=|Aud/Auc|，其中Aud为差模信号放大倍数，Auc为共模信号放大倍数。
​   差模信号放大倍数Aud越大，共模信号电压放大倍数Auc越小，则CMRR越大。此时差分放大电路抑制共模信号的能力越强，放大器的性能越好。当差动放大电路完全对称时，共模信号电压放大倍数Auc=0，则共模抑制比CCMR趋近于无穷。这是理想状况，实际上电路完全对称是不存在的，共模抑制比也不可能趋向于无穷大。
EMC

​   在对绞电缆线中的每一根导线是以双螺旋形结构相互缠绕着。流过每根导线的电流所产生的磁场受螺旋形的制约。流过对绞线中每一根导线的电流方向，决定每对导线发射噪音的程度。在每对导线上流过差模和共模电流所引起的发射程度是不同的，差模电流引起的噪音发射是较小的，所以噪音主要是由共模电流决定。简单的说，差模信号是两根线之间的噪声差，共模信号是两根线分别对地的噪声。
对绞线中的差模信号


​   对纯差模信号而言，它在每一根导线上的电流是以相反方向在一对导线上传送。如果这一对导线是均匀的缠绕，这些相反的电流就会产生大小相等，反向极化的磁场，使它的输出互相抵消。在无屏蔽对绞线系统中的差模信号如图5所示。
​   在无屏蔽对绞线中，不含噪音的差模信号不产生射频干扰。
对绞线中的共模信号


​   共模电流ICOM在两根导线上以相同方向流动，并经过寄生电容Cp到地返回。在这种情况下，电流产生大小相等极性相同的磁场，它们的输出不能相互抵消。如图6所示，共模电流在对绞线的表面产生一个电磁场，它的作用正如天线一样。
​   在无屏蔽对绞线中，共模信号产生射频干扰。