認識共模干擾與差模干擾

ID:291734 · 發表于 2019-9-12 09:08

本章討論的是經典的共模與差模干擾問題。

本章討論的是經典的共模與差模干擾問題。假如你已經知道了共模、差模是什么東西且有自己的見解，那么不必看第一節，直接看第二節即可。因為第二小結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，甚至是端電源系統導線的總稱。
1、什么是共模與差模
有些人自認為對共模與差模已經很了解了——“對于電信號，同相位的信號叫共模、反相位的信號叫差模” 。這個雖然籠統，但是并沒有錯。能說出這個似乎對共模與差模還真有理解，但是假如僅僅停留在這個階段，平時閑侃還可以，但是要真正去解決問題，恐怕只能靠一些運氣。
筆者對該命題了解不是非常透徹，但是經常發現日常常見的錯誤觀點，在此指出，以助入門擯棄對理論的誤解，在實際解決問題時更加有理論依據、更有把握。
1.1、共、差模信號
物理學的 “運動” 中，必須有 2 個以上的物體，并以其中一個為參考系（點），這樣才知道 A 對 B物體是否有“運動” 。
同理，差模與共模也是這樣。有兩條導線相對于大地才能較好地做出判定 “這兩條線是否有差模或共模”出現。
圖示是網絡上經�？吹降年P于解釋共模與差模信號的圖。左右兩圖都有三根線——A、B兩根信號線和地線。一般的解釋大致都說：左圖 A、B 兩根信號線上的波動方向（相位）相同，所以是共模信號；右圖 A、B信號線的波動方向（相位）相反，所以是差模信號。

這種解釋沒錯，只是不夠嚴謹，所以很多初學者理解錯了，把一根線相對于大地也認為是共模、差模。甚至，把共模、差模這兩個名詞作為技術的時尚名詞，這個大可不必。
對上面解釋共模、差模的觀點，我個人理解如下：（1）三個物體相比較，才有共模差模之說：日常中兩根線（比如電源線和地線）出現的共模、差模，其實，是默認以大地或“電位差與大地保持不變的電勢點”作為電平參考點（看，這里有：電源線、地線、大地三個物體）。這個就像物理學中的“A 物體是運動的” ，
其實蘊含了用大地作為運動參考系一樣。（2）從以上的觀點出發，一根線與大地間（只有兩個比較物體），不存在共模、差模信號。但是，假如將差模的定義放寬為“相對的電勢變化” ，那么一根信號線與大地間也可能存在差模。但一根線相對于大地不存在共模。

1.2、電源線何來共模、差模干擾之說
電源線的共模、差模，其實說的是電源、地線與大地作為參考時，存在共模（或差模）信號干擾。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“那輛車相對于地面開得很快” ），但是初學者必須得注意這個問題。
2、電源、地線出現共模和差模的原因
有些人說電源線怎么可能出現共模、差模信號呢？有人說，電源線出現差模容易理解，但是電源線的共模如何理解？你能舉出一個例子分析嗎？實際上，電源線有很多種情況下可能出現共模、差模信號，下面舉一個日常常見的例子說明。
2.1、電源線出現差模信號
當然，嚴謹來講是“電源、地線相對于大地出現差模信號” 。分析如下：
下圖。假設 VCC=3V。（1）0 時刻，S1 閉合，S2 打向右邊，框內電路負載為100M 歐姆，那么根據歐姆定律知D 點電壓為3V。（2）1 時刻，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，框內負載為10 歐姆。那 E 點電壓為 1V、D 點電壓為2V。
對于框內的系統（認為是數字電路模塊）來說，D 點是它的“電源” ，E 點是它的“地” 。那么這 1mS 內，該系統的電源和地出現了差模信號干擾。

2.2、電源線上出現共模干擾
上面的差模干擾相對簡單，但是，本小節的共模干擾卻常常被忽略掉。下圖分析務必要仔細看明白，此為本章的精要內容。

圖中 A 系統向 B系統傳輸幅度為 2V 的高頻方波信號。
（1）不少人常犯的錯誤分析方法：認為 A 系統發出的方波信號經過 R6=200R的信號源內阻、流到 R7=300R負載、然后經過R8=200R的地阻抗回流到 A 系統，所以負載得到的方波信號為 2*300/（200+300+200）=6/7（V）。這分析不正確。

（2）正確的分析方法：上圖中對于高頻方波信號，由于電源的去耦電容 C2、C1 對高頻交流方波信號阻抗近似等于0，所以回流路徑有 2 條——電源線回流和地線回流。（為什么有這個現象？原因是筆者第一章所講：電信號往阻抗最小的路徑走。紅色字體部分務必要搞明白）
其等效電路如下圖：對于交流方波信號，由于 C1、C2 近似短路，所以電源線和地線路徑阻抗相當于兩個路徑阻抗并聯。所以 A 系統發出的 2V信號，在 R7兩端可以測量到 1V 的電壓。而 B系統兩端電源存在 1/3V 的共模干擾。

假設這個方波信號的高電平時間是 1mS，那么 B系統的電源端如下圖。信號傳輸瞬間，地線和電源線同時被“抬高”1/3V。
（注意：實際應用中并沒有看到電源線和地線被抬這么高，那是因為系統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，一般情況下對數字電路沒什么影響。但是在高頻狀態下，其感抗不可小覷，而系統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、加大電源線或者設置電源層（做多層板，用一層 PCB作為電源）——可見，前輩們總結出來的 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，對于 B系統只存在共模干擾。但實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程度不同，一般是電源線波動大些。所以實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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