共模和差模信號及其噪音抑制

5共模扼流圈

對于理想的單磁芯、雙繞組的共模扼流圈，將不考慮在實際扼流圈中或多或少存在的雜散阻抗（Cww,DCR,Cp等）的影響。這樣的假設(shè)是合理的，因為一個好的扼流圈設(shè)計，它的雜散阻抗和電路的源阻抗、負(fù)載阻抗相比是可以忽略的。

5．1理想共模扼流圈對差模信號的效應(yīng)

差模電流以相反的方向流過共模扼流圈的繞阻，建立大小相等，極性相反的磁場，它能使輸出相互抵消，見圖13。這就使共模扼流圈對差模信號的阻抗為零。差模信號能不受阻地通過共模扼流圈。

5．2理想共模扼流圈對共模信號的效應(yīng)

共模電流以相同的方向流過共模扼流圈繞組的每一邊，見圖14，它建立大小相等相位相同的相加磁場。這一結(jié)果就使共模扼流圈對共模信號呈現(xiàn)高阻抗，使通過共模扼流圈的共模電流大大地減弱。實際減弱量（或共模抑制量）取決于共模扼流圈阻抗和負(fù)載阻抗大小之比。

圖11抗干擾變壓器

圖12變壓器初級和次級繞組之間的耦合電容

圖13理想共模扼流圈中的差模信號

圖14理想共模扼流圈中的共模信號

圖15理想自耦變壓器中的差模信號

圖16理想自耦變壓器中的共模信號

6有中心抽頭的自耦變壓器

自耦變壓器是以定向電流傳遞方式實現(xiàn)能量傳輸?shù)?。對于理想的自耦變壓器[2]，不考慮實際或多或少存在的雜散阻抗（Cww,DCR,Cp等）的影響。這樣的假設(shè)是合理的，因為一個好的自耦變壓器設(shè)計，它的雜散阻抗和電路的源阻抗、負(fù)載阻抗相比是可以忽略的。

6．1理想自耦變壓器對差模信號的效應(yīng)

從差模信號看，有中心抽頭的自耦變壓器是兩個在相位上相同的對分繞組，見圖15。這就意味差模電流在其中所形成的磁場，會使其對差模電流呈現(xiàn)高阻抗。相當(dāng)于對差模信號并聯(lián)了一個高阻值的阻抗，它對差模信號的大小沒有影響。

6．2理想自耦變壓器對共模信號的效應(yīng)

從共模信號看，有中心抽頭的自耦變壓器是兩個在相位上相反的對分繞組，見圖16。這就意味共模電流在其中會形成大小相等相位相反的磁場，這一磁場會使共模電流的輸出互相抵消。對共模信號呈現(xiàn)零阻抗效應(yīng)，使共模信號直接短路到地。

7減小電磁干擾的一些常用方法

通常都是在電路設(shè)計、印制板布線上想辦法來減小電磁干擾或在機箱上增加屏蔽、采用有中心線的共模扼流圈等方法來減小電磁干擾。

7．1屏蔽

用金屬材料將機箱內(nèi)部產(chǎn)生的噪音封閉起來的方法稱為屏蔽。屏蔽對防止外部噪音進(jìn)入機箱也是同樣有效的。電場屏蔽和磁場屏蔽的方法是不同的。

電場屏蔽是用導(dǎo)體將噪音源包圍起來，然后接地，就能達(dá)到屏蔽的目的。由于導(dǎo)體表面的反射損耗很大，因此很薄的材料（鋁箔、銅箔）也有很好的屏蔽效果。另外，機箱上即使有縫隙，也不會產(chǎn)生太大的影響。

磁場屏蔽主要用來屏蔽低頻磁場的干擾，這種干擾是由交流電流或直流電流產(chǎn)生的。例如，感應(yīng)煉鋼爐中有數(shù)萬安培的電流通過，在爐周圍產(chǎn)生很強的磁場，這個強磁場會使控制系統(tǒng)中的磁敏器件失靈。最常見的磁敏器件是彩色CRT顯示器，在磁場的作用下，顯示器屏幕上的圖象顏色會失真，圖象會產(chǎn)生抖動，導(dǎo)致顯示質(zhì)量嚴(yán)重降低，甚至無法使用。低頻磁場往往隨距離的增加而衰減很快，因此在很多場合，將磁敏器件遠(yuǎn)離磁場源是減小磁場干擾的十分有效的措施。但當(dāng)空間的限制而無法采取這個方法時，屏蔽也是一個十分有效的措施。要注意的是，低頻磁場屏蔽與射頻磁場屏蔽是完全不同的，射頻磁場的屏蔽使用導(dǎo)電率高的材料如鈹銅復(fù)合材料、銀、錫或鋁等材料，把它完全封閉起來，就可以了。但這些材料對低頻磁場沒有任何屏蔽作用。只有高導(dǎo)磁率的鐵磁合金才能屏蔽直流磁場或低頻磁場。

根據(jù)電磁屏蔽的基本原理，低頻磁場由于其頻率低，吸收損耗很小，趨膚效應(yīng)很小，并且由于其波阻抗很低，反射損耗也很小，因此單純靠反射和吸收很難獲得需要的屏蔽效果。對這種低頻磁場，要通過使用高導(dǎo)磁率材料為磁場提供一條磁阻很低的旁路來實現(xiàn)屏蔽，這樣空間的磁場便會集中在屏蔽材料中，從而使磁敏器件免受磁場干擾。

高導(dǎo)磁率材料在機械的沖擊下會極大地?fù)p失磁性，導(dǎo)致屏蔽效能下降。因此，屏蔽體在經(jīng)過機械加工（如折彎、焊接、敲擊、鉆孔等）后，必須經(jīng)過熱處理以恢復(fù)磁性。熱處理要在特定條件下進(jìn)行，一般要在干燥氫氣爐中以一定的速率加熱到1177℃，保持4個小時，然后以一定的速率降低到室溫。

　　在對拼連接處進(jìn)行焊接時，要使用屏蔽材料母料做焊接填充料，這樣可以保證焊縫處的高導(dǎo)磁率。如果屏蔽效能要求較低，也可以采用鉚接或點焊的方式固定，但要注意拼接處的屏蔽材料要有一定的重疊，以保證磁路上較小的磁阻。

圖17有中心線的共模扼流圈

圖18有中心線的共模扼流圈的典型響應(yīng)曲線

當(dāng)需要屏蔽的磁場很強時，僅用單層屏蔽材料，達(dá)不到屏蔽要求。這時，一種方法是增加材料的厚度。但更有效的方法是使用組合屏蔽，將一個屏蔽體放在另一個屏蔽體內(nèi)，它們之間留有氣隙。氣隙內(nèi)可以填充任何非導(dǎo)磁材料（如鋁）做支撐。組合屏蔽的屏蔽效果比單個屏蔽體高得多，因此組合屏蔽能夠?qū)⒋艌鏊p到很低的程度。

7．2電路設(shè)計

由于時鐘頻率越高，高頻能量的發(fā)射越強，因此在數(shù)字電路中不要使用過高的時鐘頻率。印制板上的總線、較大的環(huán)路面積和較長的導(dǎo)線都是強輻射源，因此，除非必要，要盡量避免這些情況的出現(xiàn)。使用大規(guī)模集成電路能夠大幅度減少印制板上的走線，從而減小輻射。在選用集成電路時，也有些問題需要注意。例如，高速肖特基電路由于脈沖上升時間很短，因此會在很高的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生發(fā)射。在功能允許的條件下，盡量使用標(biāo)準(zhǔn)型電路。電路設(shè)計時要最大限度地保持?jǐn)?shù)字線和信號線分離。信號通道必須遠(yuǎn)離輸入輸出線以防止數(shù)字線上開關(guān)噪音輻射到信號線上。

7．3印制板的設(shè)計

在印制板上合適的放置元器件與合理的安排印制板走線是很關(guān)鍵的。有些元器件，特別是磁性元件（如濾波器）在一個方向比其它方向可能有更大的磁場。元器件相互之間成90°放置，磁場相互抵消并減小噪音輻射。開關(guān)器件遠(yuǎn)離磁性元件也能減小噪音輻射。印制板上的走線也是主要的輻射源。走線產(chǎn)生輻射主要是由于邏輯電路中電流的突變，在走線的電感上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，這個電壓會產(chǎn)生較強的噪音輻射。另外，由于走線起著發(fā)射天線的作用，因此走線的長度越長，輻射的噪音越多。短的走線比長的走線輻射少。粗的走線比細(xì)的走線噪音輻射少。所以使走線盡可能地短，從而把走線的自感減到最小是很必要的。

7．4采用有中心線的共模扼流圈

減少和改善噪音的另一種方法，特別是對高頻段，是在傳輸頻道上用有中心線的共模扼流圈，如圖17所示。

共模扼流圈的耦合電容對中心線的每一邊是對稱的。變壓器的次級具有分路，這分路有助于變壓器的次級繞組的分布電容更好地控制傳輸頻道上的返回?fù)p耗。它還可以在高頻段提供一阻尼的下凹，其頻率范圍出現(xiàn)在(700～900)MHz之間，這個范圍也可以進(jìn)行控制，典型的響應(yīng)曲線見圖18。