共模信号-基础知识

共模信号

Common-Mode Signals

共模信号是作用在差分放大器或仪表放大器同相、反相输入端的相同信号。例如，平衡线对中引入到两个平衡端的噪声电压。另外一个例子是加在平衡线上的直流电压(例如：由于信号源与接收器之间的地电位差而产生的直流电平)。

对于理想的差分放大器，可以完全消除共模信号输出，这是由于差分输入(同相和反相)抵消掉了相同的输入成分。衡量这一特性的参数称为共模抑制比或CMRR。

共模信号

共模信号主 权

一种共模信号抑制电路，用来抑制在2根导线中以相同相位传输的共模信号，其特征在于，具备：第1绕组，在规定的第1位置处插入在一根导线上；第2绕组，在与上述第1位置相对应的第2位置处插入在另一根导线上并耦合到上述第1绕组上，与上述第1绕组协同来抑制上述共模信号；第3绕组，耦合到上述第1绕组和第2绕组上，用来使上述第1 绕组和第2绕组之间产生互感；以及反相信号传送装置，连接在[上述第3绕组上并在与上述第1位置不同的第3位置处连接在上述一根导线上，进而，在与上述第 3位置对应、与上]述第2位置不同的第4位置处连接在上述另一根导线上，传送用以抑制上述共模信号的反相信号，上述共模信号的产生源，除了第1位置和第3 位置之间的位置及第2位置和第4位置之间的位置之外，当位于比接近第1和第2位置更接近第3和第4位置的位置时 。

上述反相信号传送装置检测共模信号，并将与检测到的共模信号反相的上述反相信号供给到上述第3 绕组，上述第3绕组经由上述第1绕组和第2绕组，将上述[反相信号注入到上述2根导线，上述共模信号的产生源，除了第1位置和第3位置之间的位置及第2位置和第4位置]之间的位置之外，当位于比接近第3和第4位置更接近第1和第2位置的位置时，上述第3绕组检测共模信号，上述反相信号传送装置将与由上述第 3绕组检测到的共模信号反相的上述反相信号注入到上述2根导线。

为什么要抑制共模信号？

任何两个信号都可以分解为共模信号和差模信号。共模信号是作用在差分放大器或仪表放大器两个输入端的相同信号，通常是由于线路传导和空间磁场干扰产生的，是不希望出现的信号，差模信号是两个输入端信号的相位相差180度。如果共模信号被放大很多，会影响到真正需要放大的差模信号。设两路的输入信号分别为： A,B，分别表示为：A=m+n；B=m-n，则输入信号A,B可以看成一个共模信号 m 和差模信号 n 的合成，其中m=(A+B)/2；n=(A-B)/2。

常用共模抑制比CMRR来衡量差分放大电路抑制共模信号的能力，它是放大器对差模信号的电压放大倍数与对共模信号的电压放大倍数之比，CMRR越大，放大器的性能越好。

如何深度认识共模信号？

理解共模信号是怎样产生和怎样抑制的，必须先理解一般电缆结构中遮罩和接地之间的互感作用。以下详细说明了共模信号的特点，回顾了一般电缆的结构特 点的相关知识，把遮罩和非遮罩电缆进行了对比，说明了在实际应用中典型的接地方式。讨论了共模信号是怎样产生和怎样抑制的。

主要集中讨 论RS485/RS-422电缆和信号，这些内容同时适用於电话、音频、视频和电脑网络信号。

1、共模信号的定义

以局部共 通端或者接地为参考，共模信号就在双线电缆的两根线上出现，幅度和相位都相同。很明显，当双线中的一根接到地时共模信号就不会出现。技术上共模电压是平衡 电路各导体对地电压的向量和的一半，这种信号可由下面一个或者多个因素引起∶

(a)射频信号同时耦合到双线上 。

(b)驱动电路中信 号公共地端的偏置产生。

(c)发射和接收端之间存在地电位差 。

後面我们会更详细介绍。然而在进行更详细的介绍之前有必要先了解不同 的电缆结构、信号地的一般情况和遮罩地的实际知识。

2、一般数据发送系统

数据发送系统的主要目的就是把数据从一个地方发送到另外一个地方，不管是在一个机箱内或者在一定范围内，在一定范围内的机箱 和机箱之间，特定区域或者建筑内的特定区域之间或者是建筑物之间。图1举例说明了由不同电源电路供电的建筑物内的RS-485信号发射情形。

这个普通的系统在两个高度独立的建筑物之间发送数据，可以看出在单相供电系统接地点之间产生的地电流。这种情况也同时发生在3相、Y形 连接系统中。

把一个电力用户的中线连接到电力接入点埋在地下的接地棒，从而得到电力线中线作为安全地。用裸线或者绿色绝缘线把安全地引到所有的电出口安 装设备。工业底盘一般在底盘的电源输入点接到安全地，这样整个底盘就是安全地。

电路共地经常是以一点或者多点连接到底盘，但是最好每个 底盘配备一个单独的接地点。在某些情况下，电路共地可能会跟底盘和机箱地绝缘。漏电电流从机器绕组通过安全地流到机箱，或者更加常见的情况，在电力分配系 统中，因为交流初级或者次级中线电流，漏电电流在地和大地之间流动，从而在中线和底盘和机箱地之间产生电位差。

地电位差可在几伏到几十 伏之间变化。在单相或者三相Y形连接系统中，地电位差最高，因为在这两种电路中大地流动的中线电流有可能达到主电路流动的总的中线电流的10～70％。从 地点到地点测定的电压峰值一般在0.2V到5V之间，在高度隔离的地之间会高达65V，不过这种情况很罕见。

3、 电缆和噪声

由於电容对附近电场（E）的耦合、电感对局部磁场的耦合（M）、空间射频信号 的电磁耦合(EM)和有意或者无意的电路通道传导（C），就会出现噪声信号。耦合信号以与单根线或者多根线串联的附加信号出现（如图2）。表2按类别列出 了电缆中潜在的噪声源。双绞线同时截取耦合信号，因此附加信号仅以共模信号的形式出现。如果各根线连到本地共地端的阻抗是相同的话，我们认为这样的传输线 是平衡的。

表1、电缆的种类和应用

表2、上面列出的电缆的噪声源

4、电路和遮罩接地

靠大地实 现回路的信号线∶信号公共线在信号源端和负载端被大地（底盘）连接到大地地线。电路公共端也必须连接到大地（底盘）接地。

单线遮罩∶信号 电流通常通过遮罩层，因此在信号源端和负载端都必须连到电路公共端。表3列出了多种情况下的遮罩接地。

表3、单线遮罩电缆遮罩接地                                                                                                                                                                    

双线并行:每根导体上的信号电流相等，但是电流方向相反。表4列出不同条件下的线接地连接。

表4、双线并行电缆的线接地 

非遮罩双绞线∶任何驱动或者接收电路都可能连接到本地公共端或者底盘接地，但是把发送线本身连接到底盘接地是不必要的和不合理的。一个差动信号或者 平衡信号源（例如非遮罩RS-422或者RS485数据传输电路）传输数据到一个遥控区域，该区域中信号源和负载电路都是以局部接地或者公共端为参考的。 变压器耦合应用包括10/100M基T乙太网电缆。

遮罩双绞线∶把遮罩双绞线的遮罩层接地通过遮罩层避开了任何不需要的信号或者噪声。 典型的遮罩材料（铜和铝）可以使内部导体遮罩掉通过电容耦合或者电磁耦合的信号，但是对电感耦合的信号则无能为力。

使用遮罩双绞线传输平衡信号 应该把遮罩层一端接地——通常在接收端。如果发送端接地携带有与接收端不同的噪声信号，两端接地会使电流沿著遮罩层流动。如果两个接地端不存在电位差则双 端接地也是可以的。这样配置的电路包括RS-422和RS-485数据发送电路。RS-485应用向导建议把遮罩层接到大地  ——直接接或者通过一个保险电阻在电缆遮罩层的一端接或者两端都接。

5、信号模式 定义

电缆中的电信号可以分为一般信号、差模信号和共模信号。

一般信号是在两根 线之间出现的一种信号（不同於共模信号），或者是一根单线以大地、机箱或者遮罩层为参考（或者通过它形成回路）的信号。一般信号可通过一个平衡或者不平衡 发送通道中的两根线之间读出。（对平衡双线通道，一根线是驱动正信号而另外一根线驱动大小一样的负信号，两个信号都跟一个静态或者没有信号的条件相关，这 个条件中两根线对电路公共端的电压都是一样的。）

差模信号以差分的形式出现在未接地的双线电缆结构中。

共模信号以相 同的形式出现在没有接大地、遮罩层或者局部公共端的双线电缆的两根线中，它通常但不总是一种不期望出现的接收电路应该抑制的信号。共模电压用两个信号电压 对局部接地或者公共端的平均值来表示∶

图3是一个3V差动信号叠加在一个2.5V共模电压上的情况。直流分量是单电源差动数据发送操 作的典型。共模电压可能是交流、直流或者交流和直流的叠加。（图3描述的是最简单的情况——一个没有交流分量的直流共模电压。）

当电缆很长时（RS－485数据电缆可能很长），原始信号的公共端或者地端可能不像接收端一样具有相同的电压。RS-485规范建议把驱动 电路公共端接到外壳地，直接接地或者经过100Ω电阻接地。结果如图4。

信号共模可以看成是一个等於地电压差、驱动偏置电压和任何在发 射机和接收机之间的信号通道上产生的纵向耦合噪声电压的向量和的共模电压。

6、共模信号的起源

共模电压 的3个起源是图4中所说的eGD, eLC和 EOS。

EOS是由图3所示单电压供电的差动驱动电路引入的一个典型的直流偏移量。 
eGD 是一个描述发送端和接收端的地电位差的噪声信号。它通常是一个包含电力线频率基波和可能的几个谐波的交流信号。

eLC是一个同时在两根 发送线上产生的纵向耦合噪声信号，产生的主要原因是外部信号源的电容耦合、电磁耦合或者电感耦合。

7、 尽量减小共模信号

使用双电源供电的差模驱动器可以把 EOS  减小到很小甚至把它消除。相比起来，eGD 仅可以通过尽量保证发送端和接收端相对近的距离来减小。eLC  可以通过使用双绞线来使它最小化∶电缆引人的噪声在两根紧绕的线上都会产生。另外，相对干扰电场来说因为线的非对称性，所以会存在一般信号。负载必须是对 称的，意思是双绞线的两根线上的电阻性或者电容性负载阻抗必须匹配。电感耦合信号只有通过电磁遮罩才能防止。（注意任何载流导线都是电磁辐射的信号源。）  

8、抑制共模信号

在 接收电路中必须抑制共模信号VCM。当接收电路是无源的（耳机或者扬声器）、变压器耦合、隔离的并且用电池供电或者其他不以任何方式以发送电路公共端为参 考（不管是容性或者是电阻性连接）的时候是非常容易实现的。这些结构天生对共模信号具有免疫能力，但是以发送电路公共端作为参考的接收电路必须按能接收在 它们上面出现的所有共模信号设计。这样的设计需要具有高共模抑制比（CMR）的差动接收机。如果VCM  的幅度相对较低，用一个单独的高共模抑制比接收机就足够了。

9、高共模抑制比接收 机是怎样工作的

所有高共模抑制比接收机或者由差动对管构成或者由三级放大器组成的传统仪 器放大器构成，如图5所示。在共模电压到来时，每个放大器接收一个差动输入，这些放大器都具有比电源电压稍小的共模抑制。这种电路对模拟信号和数字信号都 有效。

如果VCM超过接收机的共模抑制范围就必须使用额外的隔离措施。大多数这样的电路都需要使用变压器耦合的隔离电源，再配合下面任何一项措施 ∶

光耦合电路

电容耦合差动电路

电感耦合电路

电阻耦合差动电路

图6所示的措施可以在幅度很大的共模信号 出现时将信号通过隔离物体耦合，它们靠的就是采用变压器耦合的隔离电源。隔离电压的极限由变压器和所选用的隔离方法决定，要隔离2500V或者更高的电 压，采用变压器耦合、光耦合和电容耦合技术比较实际。电阻耦合通常局限於50V到100V的范围。

电阻耦合要求传送数据经过一个对数据和共模信号均具有衰减作用的电阻衰减器，因此当接收小信号的原始信号时，电阻隔离受到接收电路可容纳的 共模信号大小的限制。图6中，不同隔离驱动器对隔离电源的需求不同。由於现在的电源不采用电感耦合器件，因此需要使用外部隔离电源。

因 此，一旦知道入侵共模信号的信号源和幅度，你就可以灵活选择电缆的型号和隔离措施。你仅需测量和计算干扰信号的幅度，接著选择元件来满足系统的需求。

综上所述，本文已为讲解共模信号，希望本文能对各位读者有比较大的参考价值。