共模、差模信號的關鍵特性和噪音的抑制方法

1、引言

了解共模和差模信號之間的差別,對正確理解脈沖磁路和工作模塊之間的關系是至關重要的。變壓器、共模扼流圈和自耦變壓器的端接法,對在局域網(wǎng)（LAN）和通信接口電路中減小共模干擾起關鍵作用。共模噪音在用無屏蔽對絞電纜線的通信系統(tǒng)中,是引起射頻干擾的主要因素,所以了解共模噪音將有利于更好地了解我們關心的磁性界面的電磁兼容論點。本文的主要目的是闡述差模和共模信號的關鍵特性和共模扼流圈、自耦變壓器端接法主要用途,以及為什么共模信號在無屏蔽對絞電纜線上會引起噪音發(fā)射。在介紹這些信號特點的同時,還介紹了抑制一般噪音常用的方法。

2、差模和共模信號

我們研究簡單的兩線電纜,在它的終端接有負載阻抗。每一線對地的電壓用符號V1和V2來表示。差模信號分量是VDIFF,共模信號分量是VCOM,電纜和地之間存在的寄生電容是Cp。其電路如圖1所示,其波形如圖2所示。

2.1 差模信號

純差模信號是：V1=-V2 （1）

大小相等,相位差是180°

VDIFF=V1－V2 （2）

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。在以電纜傳輸信號時,差模信號是作為攜帶信息“想要”的信號。局域網(wǎng)（LAN）和通信中應用的無線收發(fā)機的結構中安裝的都是差模器件。兩個電壓（V1＋V2）瞬時值之和總是等于零。

2.2 共模信號

純共模信號是：

V1=V2=VCOM （3）

大小相等,相位差為0°

V3=0 （4）

共模信號的電路如圖3所示,

其波形如圖4所示。

因為在負載兩端沒有電位差,所以沒有電流流過負載。所有的共模電流都通過電纜和地之間的寄生電容流向地線。在以電纜傳輸信號時,因為共模信號不攜帶信息,所以它是“不想要”的信號。

兩個電壓瞬時值之和（V1＋V2）不等于零。相對于地而言,每一電纜上都有變化的電位差。這變化的電位差就會從電纜上發(fā)射電磁波。

3、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(chǎn)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(fā)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(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。

3.1 對絞線中的差模信號

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(chǎn)生大小相等,反向極化的磁場,使它的輸出互相抵消。在無屏蔽對絞線系統(tǒng)中的差模信號如圖5所示。

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。

3.2 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,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。如圖6所示,共模電流在對絞線的表面產(chǎn)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(chǎn)生射頻干擾。

3.3 電纜線上產(chǎn)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(chǎn)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[1]。差模傳導噪音是電子設備內(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,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(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,如圖8所示。