为什么差模是有用信号,共模是干扰信号?

kikyou丨


为什么差模信号是有用信号,而共模信号是干扰信号?要搞清楚这个问题,需要知道什么是差模信号和共模信号?下面我们通过具体的电路来回答这个问题。

上图是一个简单的差分放大器,一般要求电阻R1=R3,R2=R4,此时电路的放大倍数A=R4/R3。在差分放大电路中,两个输入端之间的电压差称为差模信号,两个输入端与电路GND之间的电压差称为共模信号。在上图中,LT1001运算放大器两个输入端V1和V2之间的电压差即为差模信号,V1与GND之间的电压差及V2与GND之间的电压差即为共模信号。

上图电路是一个采用气敏电阻及差分放大器检测某种气体浓度的电路。气敏电阻R及电阻R1~R3组成一个检测电桥,这里假定R1~R3的取值相同,此时运算放大器两个输入端a、b的电压分别是R1、R2及R、R3对电源电压的分压。显然,输入端a的电压是固定值(若电源电压不变的话),而输入端b的电压的大小则会随着气敏电阻R的阻值而变化。这样,运算放大器两个输入端a、b之间的电压差(即差模信号)便与气体浓度有关,故这个电压差是我们需要的有用信号。

假设气体浓度不变,这样R的阻值就不会发生变化,此时输入端a、b之间的差模电压也是稳定的。而实际中电源电压的波动、环境温度变化、电磁辐射等各种干扰信号,它们是同时作用在运算放大器的两个输入端,并同时影响两个输入端与GND之间的电压的大小,故这些干扰信号为共模信号。由于差分放大器放大的是有用的差模信号,而对各种干扰产生的共模信号,我们希望差分放大器对其抑制能力越强越好,故采用运算放大器构成差分放大器时,一般要求所用的运算放大器的共模抑制比CMRR尽可能的大一些,以便能更好的抑制各种共模干扰信号。像上图所示的精密运放OP177,其CMRR可达140dB,远高于LM358(其CMRR只有80dB)这类普通运放,非常适合作为高精度的差分放大器。


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差模信号:幅度相等,相位相反的信号

共模信号:幅度相等,相位相同的信号

差模信号:

差模信号两根传输线上V1和V2幅值相等,相位相反,对地是对称的,所以地线上没有电流流过。经过负载相互抵消,所有的差模电流全流过负载。这样在以电缆传输信号时,差模信号是作为携带信息“想要”的信号。

共模信号:

共模信号两根传输线上V1和V2幅值相等,相位相同,产生的共模电流都经过电缆和地之间的寄生电容流向地线,变化的电位差就会产生电磁干扰了,作用如同一个天线。

直观的就是在对绞线中的应用:

对纯差模信号而言,它在每一根导线上的电流是以相反方向在一对导线上传送。如果这一对导线是均匀的缠绕,这些相反的电流就会产生大小相等,反向极化的磁场,使它的输出互相抵消。在无屏蔽对绞线中,不含噪音的差模信号不产生射频干扰。

共模电流ICOM在两根导线上以相同方向流动,并经过寄生电容Cp到地返回。在这种情况下,电流产生大小相等极性相同的磁场,它们的输出不能相互抵消。共模电流在对绞线的表面产生一个电磁场,它的作用正如天线一样。

在无屏蔽对绞线中,共模信号产生射频干扰。


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