為什麼差模是有用信號,共模是干擾信號?

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為什麼差模信號是有用信號,而共模信號是干擾信號?要搞清楚這個問題,需要知道什麼是差模信號和共模信號?下面我們通過具體的電路來回答這個問題。

上圖是一個簡單的差分放大器,一般要求電阻R1=R3,R2=R4,此時電路的放大倍數A=R4/R3。在差分放大電路中,兩個輸入端之間的電壓差稱為差模信號,兩個輸入端與電路GND之間的電壓差稱為共模信號。在上圖中,LT1001運算放大器兩個輸入端V1和V2之間的電壓差即為差模信號,V1與GND之間的電壓差及V2與GND之間的電壓差即為共模信號。

上圖電路是一個採用氣敏電阻及差分放大器檢測某種氣體濃度的電路。氣敏電阻R及電阻R1~R3組成一個檢測電橋,這裡假定R1~R3的取值相同,此時運算放大器兩個輸入端a、b的電壓分別是R1、R2及R、R3對電源電壓的分壓。顯然,輸入端a的電壓是固定值(若電源電壓不變的話),而輸入端b的電壓的大小則會隨著氣敏電阻R的阻值而變化。這樣,運算放大器兩個輸入端a、b之間的電壓差(即差模信號)便與氣體濃度有關,故這個電壓差是我們需要的有用信號。

假設氣體濃度不變,這樣R的阻值就不會發生變化,此時輸入端a、b之間的差模電壓也是穩定的。而實際中電源電壓的波動、環境溫度變化、電磁輻射等各種干擾信號,它們是同時作用在運算放大器的兩個輸入端,並同時影響兩個輸入端與GND之間的電壓的大小,故這些干擾信號為共模信號。由於差分放大器放大的是有用的差模信號,而對各種干擾產生的共模信號,我們希望差分放大器對其抑制能力越強越好,故採用運算放大器構成差分放大器時,一般要求所用的運算放大器的共模抑制比CMRR儘可能的大一些,以便能更好的抑制各種共模干擾信號。像上圖所示的精密運放OP177,其CMRR可達140dB,遠高於LM358(其CMRR只有80dB)這類普通運放,非常適合作為高精度的差分放大器。


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差模信號:幅度相等,相位相反的信號

共模信號:幅度相等,相位相同的信號

差模信號:

差模信號兩根傳輸線上V1和V2幅值相等,相位相反,對地是對稱的,所以地線上沒有電流流過。經過負載相互抵消,所有的差模電流全流過負載。這樣在以電纜傳輸信號時,差模信號是作為攜帶信息“想要”的信號。

共模信號:

共模信號兩根傳輸線上V1和V2幅值相等,相位相同,產生的共模電流都經過電纜和地之間的寄生電容流向地線,變化的電位差就會產生電磁干擾了,作用如同一個天線。

直觀的就是在對絞線中的應用:

對純差模信號而言,它在每一根導線上的電流是以相反方向在一對導線上傳送。如果這一對導線是均勻的纏繞,這些相反的電流就會產生大小相等,反向極化的磁場,使它的輸出互相抵消。在無屏蔽對絞線中,不含噪音的差模信號不產生射頻干擾。

共模電流ICOM在兩根導線上以相同方向流動,並經過寄生電容Cp到地返回。在這種情況下,電流產生大小相等極性相同的磁場,它們的輸出不能相互抵消。共模電流在對絞線的表面產生一個電磁場,它的作用正如天線一樣。

在無屏蔽對絞線中,共模信號產生射頻干擾。


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