技术资讯 I 共模信号与差模信号解析

本文重点

 

传导噪声分为共模信号和差模信号两种类型。无论是共模信号还是差模信号，都需要两根导线进行传输。

电路中产生共模噪声的主要原因是电路器件之间、器件与地之间存在寄生电容。

减小回路面积是降低差模噪声的有效手段。
 

共模信号和差模信号都与运算放大器和电路中的干扰噪声有关。共模电压增益源自运算放大器两个输入端收到的信号。如果两个信号流向一致，就会产生共模干扰或噪声。差模则相反，其信号流向相异。

 

下面我们从干扰与噪声的角度，详细分析一下共模信号与差模信号。

 

共模信号与差模信号的比较

 

电磁干扰是从干扰源辐射或传导到受干扰端，传导噪声则是共模信号或差模信号。共模信号与差模信号都需要两条导线来传输。

 

共模信号

 

对于共模信号，两路导线上的信号方向与相位均相同。

 

运用右手定则进行分析时，需要注意：

1
 

共模信号所产生的磁场可能相互抵消。
 

2

共模信号通过共地找到回流路径。
 

电路中产生共模噪声的主要原因是器件之间、器件与地之间存在的寄生电容。此外，寄生电感也会加剧电路中共模干扰的产生。
 

差模信号

 

差模信号通常出现在两根相邻导线，信号方向相反。电气设备中的差模噪声或干扰通过线间电压和线电流进行测量，这种噪声经由输入线传输至公用系统。电路器件之间的杂散电容和电路之间的磁耦合会产生差模噪声。

 

电子电路中的噪声可能源自共模信号或差模信号

 

如何解决共模噪声和差模噪声问题

 

在频率较低时，差模干扰是主要问题，但随着频率升高，共模噪声更为凸显。为抑制差模噪声，可采取以下措施：

 

选用适当的电容器

在电路中选用寄生电感和电阻较低的电容器，有助于最大限度地抑制差模干扰。在输入端采用串联电感和并联电容，也能减弱差模干扰。

减少回路面积

这是降低差模噪声的有效手段。使用双绞线电缆替代两根单独的电缆，可减少电路中的回路面积。此外，EMI 滤波器也可最大限度地抑制差模和共模噪声。

共模扼流圈

缩短电缆长度有助于降低共模干扰。共模扼流圈可有效减少此类干扰，它们对共模噪声起电感的作用，能够抑制此类噪声，而对差模噪声下则像一根普通的导线，几乎不产生阻碍。

 

利用共模扼流圈抑制共模噪声

 

在工业与电信系统中，通常使用共模扼流圈来抑制共模噪声。其结构是在单个磁芯上绕制多个线圈，绕组之间串联连接。通电时，共模扼流圈对噪声信号表现出高阻抗，所需的信号可顺利通过线圈，而不需要的信号则被衰减。共模扼流圈的电阻较低，功耗也较小。

 

了解共模信号与差模信号之间的区别及其在电气和电子电路中的干扰机制，对设计高性能系统至关重要。Sigrity X Platform 配备了强大的系统级分析仿真引擎，旗舰产品 Cadence Clarity 3D Solver 更采用了创新的大规模分布式架构。