認(rèn)識(shí)共模干擾與差模干擾

ID:291734 · 發(fā)表于 2019-9-12 09:08

本章討論的是經(jīng)典的共模與差模干擾問題。

本章討論的是經(jīng)典的共模與差模干擾問題。假如你已經(jīng)知道了共模、差模是什么東西且有自己的見解，那么不必看第一節(jié)，直接看第二節(jié)即可。因?yàn)榈诙〗Y(jié)討論的共模問題是日常很多人都忽略的問題。

注意：下文中通常說的“電源線”通常包括電源線和地線，甚至是端電源系統(tǒng)導(dǎo)線的總稱。
1、什么是共模與差模
有些人自認(rèn)為對(duì)共模與差模已經(jīng)很了解了——“對(duì)于電信號(hào)，同相位的信號(hào)叫共模、反相位的信號(hào)叫差�！� 。這個(gè)雖然籠統(tǒng)，但是并沒有錯(cuò)。能說出這個(gè)似乎對(duì)共模與差模還真有理解，但是假如僅僅停留在這個(gè)階段，平時(shí)閑侃還可以，但是要真正去解決問題，恐怕只能靠一些運(yùn)氣。
筆者對(duì)該命題了解不是非常透徹，但是經(jīng)常發(fā)現(xiàn)日常常見的錯(cuò)誤觀點(diǎn)，在此指出，以助入門擯棄對(duì)理論的誤解，在實(shí)際解決問題時(shí)更加有理論依據(jù)、更有把握。
1.1、共、差模信號(hào)
物理學(xué)的 “運(yùn)動(dòng)” 中，必須有 2 個(gè)以上的物體，并以其中一個(gè)為參考系（點(diǎn)），這樣才知道 A 對(duì) B物體是否有“運(yùn)動(dòng)” 。
同理，差模與共模也是這樣。有兩條導(dǎo)線相對(duì)于大地才能較好地做出判定 “這兩條線是否有差�；蚬材！背霈F(xiàn)。
圖示是網(wǎng)絡(luò)上經(jīng)常看到的關(guān)于解釋共模與差模信號(hào)的圖。左右兩圖都有三根線——A、B兩根信號(hào)線和地線。一般的解釋大致都說：左圖 A、B 兩根信號(hào)線上的波動(dòng)方向（相位）相同，所以是共模信號(hào)；右圖 A、B信號(hào)線的波動(dòng)方向（相位）相反，所以是差模信號(hào)。

這種解釋沒錯(cuò)，只是不夠嚴(yán)謹(jǐn)，所以很多初學(xué)者理解錯(cuò)了，把一根線相對(duì)于大地也認(rèn)為是共模、差模。甚至，把共模、差模這兩個(gè)名詞作為技術(shù)的時(shí)尚名詞，這個(gè)大可不必。
對(duì)上面解釋共模、差模的觀點(diǎn)，我個(gè)人理解如下：（1）三個(gè)物體相比較，才有共模差模之說：日常中兩根線（比如電源線和地線）出現(xiàn)的共模、差模，其實(shí)，是默認(rèn)以大地或“電位差與大地保持不變的電勢(shì)點(diǎn)”作為電平參考點(diǎn)（看，這里有：電源線、地線、大地三個(gè)物體）。這個(gè)就像物理學(xué)中的“A 物體是運(yùn)動(dòng)的” ，
其實(shí)蘊(yùn)含了用大地作為運(yùn)動(dòng)參考系一樣。（2）從以上的觀點(diǎn)出發(fā)，一根線與大地間（只有兩個(gè)比較物體），不存在共模、差模信號(hào)。但是，假如將差模的定義放寬為“相對(duì)的電勢(shì)變化” ，那么一根信號(hào)線與大地間也可能存在差模。但一根線相對(duì)于大地不存在共模。

1.2、電源線何來共模、差模干擾之說
電源線的共模、差模，其實(shí)說的是電源、地線與大地作為參考時(shí)，存在共模（或差模）信號(hào)干擾。只是在日常使用中把參考的大地略掉（就像日常說“那輛車開得好快” ，而不是說“那輛車相對(duì)于地面開得很快” ），但是初學(xué)者必須得注意這個(gè)問題。
2、電源、地線出現(xiàn)共模和差模的原因
有些人說電源線怎么可能出現(xiàn)共模、差模信號(hào)呢？有人說，電源線出現(xiàn)差模容易理解，但是電源線的共模如何理解？你能舉出一個(gè)例子分析嗎？實(shí)際上，電源線有很多種情況下可能出現(xiàn)共模、差模信號(hào)，下面舉一個(gè)日常常見的例子說明。
2.1、電源線出現(xiàn)差模信號(hào)
當(dāng)然，嚴(yán)謹(jǐn)來講是“電源、地線相對(duì)于大地出現(xiàn)差模信號(hào)” 。分析如下：
下圖。假設(shè) VCC=3V。（1）0 時(shí)刻，S1 閉合，S2 打向右邊，框內(nèi)電路負(fù)載為100M 歐姆，那么根據(jù)歐姆定律知D 點(diǎn)電壓為3V。（2）1 時(shí)刻，S1依然閉合，但S2 打向左邊。停留 1ms后再打回右邊。那么這 1ms 內(nèi)，框內(nèi)負(fù)載為10 歐姆。那 E 點(diǎn)電壓為 1V、D 點(diǎn)電壓為2V。
對(duì)于框內(nèi)的系統(tǒng)（認(rèn)為是數(shù)字電路模塊）來說，D 點(diǎn)是它的“電源” ，E 點(diǎn)是它的“地” 。那么這 1mS 內(nèi)，該系統(tǒng)的電源和地出現(xiàn)了差模信號(hào)干擾。

2.2、電源線上出現(xiàn)共模干擾
上面的差模干擾相對(duì)簡單，但是，本小節(jié)的共模干擾卻常常被忽略掉。下圖分析務(wù)必要仔細(xì)看明白，此為本章的精要內(nèi)容。

圖中 A 系統(tǒng)向 B系統(tǒng)傳輸幅度為 2V 的高頻方波信號(hào)。
（1）不少人常犯的錯(cuò)誤分析方法：認(rèn)為 A 系統(tǒng)發(fā)出的方波信號(hào)經(jīng)過 R6=200R的信號(hào)源內(nèi)阻、流到 R7=300R負(fù)載、然后經(jīng)過R8=200R的地阻抗回流到 A 系統(tǒng)，所以負(fù)載得到的方波信號(hào)為 2*300/（200+300+200）=6/7（V）。這分析不正確。

（2）正確的分析方法：上圖中對(duì)于高頻方波信號(hào)，由于電源的去耦電容 C2、C1 對(duì)高頻交流方波信號(hào)阻抗近似等于0，所以回流路徑有 2 條——電源線回流和地線回流。（為什么有這個(gè)現(xiàn)象？原因是筆者第一章所講：電信號(hào)往阻抗最小的路徑走。紅色字體部分務(wù)必要搞明白）
其等效電路如下圖：對(duì)于交流方波信號(hào)，由于 C1、C2 近似短路，所以電源線和地線路徑阻抗相當(dāng)于兩個(gè)路徑阻抗并聯(lián)。所以 A 系統(tǒng)發(fā)出的 2V信號(hào)，在 R7兩端可以測(cè)量到 1V 的電壓。而 B系統(tǒng)兩端電源存在 1/3V 的共模干擾。

假設(shè)這個(gè)方波信號(hào)的高電平時(shí)間是 1mS，那么 B系統(tǒng)的電源端如下圖。信號(hào)傳輸瞬間，地線和電源線同時(shí)被“抬高”1/3V。
（注意：實(shí)際應(yīng)用中并沒有看到電源線和地線被抬這么高，那是因?yàn)橄到y(tǒng)的電源線和地線不可能有本例子的“200 歐姆”這么大的阻抗。）

通常情況下的 PCB布線中，電源和地線的特征容易引起如下情況：
（1）電源和地線的阻抗沒有那么大，所以共模干擾肯定很小，一般情況下對(duì)數(shù)字電路沒什么影響。但是在高頻狀態(tài)下，其感抗不可小覷，而系統(tǒng)間的通訊引起的共模干擾不可以通過增加去耦電容的方式減輕，唯一減小這種信號(hào)傳輸引起電源共模干擾的方法是：大面積鋪地、加大電源線或者設(shè)置電源層（做多層板，用一層 PCB作為電源）——可見，前輩們總結(jié)出來的 PCB布線基本的法則自有其道理。
（2）由上面可以看到，電源線和地線阻抗相等時(shí)，對(duì)于 B系統(tǒng)只存在共模干擾。但實(shí)際上電源線的阻抗和地線的阻抗不相等，低頻下去耦電容的阻抗也較高，所以電源線和地線的電壓波動(dòng)程度不同，一般是電源線波動(dòng)大些。所以實(shí)際中電源線和地線既存在共模干擾，也存在差模干擾。

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