共模、差模信號(hào)的關(guān)鍵特性和噪音的抑制方法

1、引言

了解共模和差模信號(hào)之間的差別,對(duì)正確理解脈沖磁路和工作模塊之間的關(guān)系是至關(guān)重要的。變壓器、共模扼流圈和自耦變壓器的端接法,對(duì)在局域網(wǎng)（LAN）和通信接口電路中減小共模干擾起關(guān)鍵作用。共模噪音在用無(wú)屏蔽對(duì)絞電纜線(xiàn)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(guān)心的磁性界面的電磁兼容論點(diǎn)。本文的主要目的是闡述差模和共模信號(hào)的關(guān)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(hào)在無(wú)屏蔽對(duì)絞電纜線(xiàn)上會(huì)引起噪音發(fā)射。在介紹這些信號(hào)特點(diǎn)的同時(shí),還介紹了抑制一般噪音常用的方法。

2、差模和共模信號(hào)

我們研究簡(jiǎn)單的兩線(xiàn)電纜,在它的終端接有負(fù)載阻抗。每一線(xiàn)對(duì)地的電壓用符號(hào)V1和V2來(lái)表示。差模信號(hào)分量是VDIFF,共模信號(hào)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(hào)

純差模信號(hào)是：V1=-V2 （1）

大小相等,相位差是180°

VDIFF=V1－V2 （2）

因?yàn)閂1和V2對(duì)地是對(duì)稱(chēng)的,所以地線(xiàn)上沒(méi)有電流流過(guò)。所有的差模

電流（IDIFF）全流過(guò)負(fù)載。在以電纜傳輸信號(hào)時(shí),差模信號(hào)是作為攜帶信息“想要”的信號(hào)。局域網(wǎng)（LAN）和通信中應(yīng)用的無(wú)線(xiàn)收發(fā)機(jī)的結(jié)構(gòu)中安裝的都是差模器件。兩個(gè)電壓（V1＋V2）瞬時(shí)值之和總是等于零。

2.2 共模信號(hào)

純共模信號(hào)是：

V1=V2=VCOM （3）

大小相等,相位差為0°

V3=0 （4）

共模信號(hào)的電路如圖3所示,

其波形如圖4所示。

因?yàn)樵谪?fù)載兩端沒(méi)有電位差,所以沒(méi)有電流流過(guò)負(fù)載。所有的共模電流都通過(guò)電纜和地之間的寄生電容流向地線(xiàn)。在以電纜傳輸信號(hào)時(shí),因?yàn)楣材Ｐ盘?hào)不攜帶信息,所以它是“不想要”的信號(hào)。

兩個(gè)電壓瞬時(shí)值之和（V1＋V2）不等于零。相對(duì)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(huì)從電纜上發(fā)射電磁波。

3、差模和共模信號(hào)及其在無(wú)屏蔽對(duì)絞線(xiàn)中的EMC

在對(duì)絞電纜線(xiàn)中的每一根導(dǎo)線(xiàn)是以雙螺旋形結(jié)構(gòu)相互纏繞著。流過(guò)每根導(dǎo)線(xiàn)的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)受螺旋形的制約。流過(guò)對(duì)絞線(xiàn)中每一根導(dǎo)線(xiàn)的電流方向,決定每對(duì)導(dǎo)線(xiàn)發(fā)射噪音的程度。在每對(duì)導(dǎo)線(xiàn)上流過(guò)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(duì)絞線(xiàn)中的差模信號(hào)

對(duì)純差模信號(hào)而言,它在每一根導(dǎo)線(xiàn)上的電流是以相反方向在一對(duì)導(dǎo)線(xiàn)上傳送。如果這一對(duì)導(dǎo)線(xiàn)是均勻的纏繞,這些相反的電流就會(huì)產(chǎn)生大小相等,反向極化的磁場(chǎng),使它的輸出互相抵消。在無(wú)屏蔽對(duì)絞線(xiàn)系統(tǒng)中的差模信號(hào)如圖5所示。

在無(wú)屏蔽對(duì)絞線(xiàn)中,不含噪音的差模信號(hào)不產(chǎn)生射頻干擾。

3.2 對(duì)絞線(xiàn)中的共模信號(hào)

共模電流ICOM在兩根導(dǎo)線(xiàn)上以相同方向流動(dòng),并經(jīng)過(guò)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(chǎng),它們的輸出不能相互抵消。如圖6所示,共模電流在對(duì)絞線(xiàn)的表面產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng),它的作用正如天線(xiàn)一樣。

在無(wú)屏蔽對(duì)絞線(xiàn)中,共模信號(hào)產(chǎn)生射頻干擾。

3.3 電纜線(xiàn)上產(chǎn)生的共模、差模噪音及其EMC

電子設(shè)備中電纜線(xiàn)上的噪音有從電源電纜和信號(hào)電纜上產(chǎn)生的輻射噪音和傳導(dǎo)噪音兩大類(lèi)。這兩大類(lèi)中又分為共模噪音和差模噪音兩種[1]。差模傳導(dǎo)噪音是電子設(shè)備內(nèi)部噪音電壓產(chǎn)生的與信號(hào)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(hào)線(xiàn)和電源線(xiàn)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(lái)減小高頻的噪音,如圖8所示。