差模電壓與共模電壓解析

差模電壓與共模電壓

我們需要的是整個(gè)有意義的“輸入信號(hào)”，要把兩個(gè)輸入端看作“整

體”。

就像平面坐標(biāo)需要用 x,y 兩個(gè)數(shù)表示，而到了高中或大學(xué)就只要用一

個(gè)“數(shù)”v，但這個(gè) v 是由 x,y 兩個(gè)數(shù)構(gòu)成的“向量”……

而共模、差模正是“輸入信號(hào)”整體的屬性，差分輸入可以表示為

vi = (vi+, vi-)也可以表示為 vi = (vic, vid)

c表示共模，d 表示差模。兩種描述是完全等價(jià)的。只不過換了一

個(gè)認(rèn)識(shí)角度，就像幾何學(xué)里的坐標(biāo)變換，同一個(gè)點(diǎn)在不同坐標(biāo)系中的坐

標(biāo)值不同，但始終是同一個(gè)點(diǎn)。運(yùn)放的共模輸入范圍：器件（運(yùn)放、儀放……）保持正常放大功能（保持一定共模抑制比 CMRR）條件下允許的共模信號(hào)的范圍。顯然，不存在“某一端”上的共模電壓的問題。但“某一端”也一樣存在輸入電壓范圍問題。而且這個(gè)范圍等于共模輸入電壓范圍。道理很簡(jiǎn)單：運(yùn)放正常工作時(shí)兩輸入端是虛短的，單端輸入電壓范圍與共模輸入電壓范圍幾乎是一回事。

對(duì)其它放大器，共模輸入電壓跟單端輸入電壓范圍就有區(qū)別了。例

如對(duì)于儀放，差分輸入不是 0，實(shí)際工作時(shí)的共模輸入電壓范圍就要小

于單端輸入電壓范圍了。

可以通俗的理解為：

兩只船靜止在水面上，分別站著兩個(gè)人，A 和B。 A 和B 相互拉著手。當(dāng)船上下波動(dòng)時(shí)，A 才能感覺到B 變化的拉力。這兩個(gè)船之間的高度差就是差模信號(hào)。當(dāng)水位上升或者下降時(shí)，A 并不能感覺到這個(gè)拉力。 這兩個(gè)船離水底的絕對(duì)高度就是共模信號(hào)。于是，我們說A 和B 只對(duì)差模信號(hào)響應(yīng)，而對(duì)共模信號(hào)不響應(yīng)。當(dāng)然，也有一定的共模范圍了，太低會(huì)沉到水底，這樣船都無(wú)法再波動(dòng)了。太高，會(huì)使會(huì)水溢出而形成水流導(dǎo)致船沒法在水面上停留理論上，A 和B 應(yīng)該只是對(duì)差模有響應(yīng)但實(shí)際上，由于船上下顛簸，A 和B 都暈了，明明只有共模，卻產(chǎn)生了幻覺：似乎對(duì)方相對(duì)自己在動(dòng)。這就說明，A 和B 內(nèi)力較弱，共模抑制比不行啊。當(dāng)然,差模電壓也不可以太大，否則會(huì)導(dǎo)致把A 和B 拉開。主要是 “共模是兩輸入端的算術(shù)平均值,差模是直接的同相端與反相端的差值”。

共模電壓應(yīng)當(dāng)是從源端看進(jìn)來(lái)時(shí)，加到放大電路輸入端的共同

值，差模則是加到放大電路兩個(gè)輸入端的差值。共模電壓有直流的，也有交流的。直流的稱為直流共模抑制（比），交流的稱為交流共模抑制（比），統(tǒng)稱共模抑制（比）。一般的放大器特別是儀表放大器，有較好的直流共模抑制，但對(duì)交流共模抑制，頻率一高往往就不行了----急劇下降，即頻率響應(yīng)不行。一般的信號(hào)均有源阻抗，此阻抗可以不同程度破壞電路的對(duì)稱性，因此，用差分放大器時(shí)要小心它引起的誤差。參考相關(guān)數(shù)據(jù)數(shù)冊(cè)。不僅僅是在運(yùn)放電路中。只要是電信號(hào)傳輸，都可以分為共模和差模差模是兩根信號(hào)線之間的， 共模是信號(hào)對(duì)地的 所以只要有信號(hào)傳輸就有共模干擾。準(zhǔn)確說是：一根線共模和差

模疊加在一起，無(wú)法區(qū)分，只有雙線傳輸才能區(qū)分共模和差模。先看共

模和差模的由來(lái)，也就是這種區(qū)分的價(jià)值

1. 傳導(dǎo)干擾下：

假設(shè)系統(tǒng)的公共參考點(diǎn)（“地”）受干擾，電位發(fā)

生了波動(dòng)。其實(shí)電位這個(gè)概念嚴(yán)格說只有相對(duì)意義，一個(gè)孤立點(diǎn)不存在

什么“電位”，所以波動(dòng)一定要相對(duì)另一個(gè)參考點(diǎn)的，例如：大地，或

與你的板子或整機(jī)相連的那個(gè)設(shè)備的參考點(diǎn)。這時(shí)，兩個(gè)設(shè)備間的兩根

信號(hào)線上的干擾是近似相同的。

2. 空間耦合干擾下：

電磁波具有一定的空間連續(xù)性，在很小的空間內(nèi)，可以

認(rèn)為電磁波是均勻的，如果兩根線靠得很近，兩根線所受干擾也是近似

相同的。

按一般說法，任意一根信號(hào)線相對(duì)地線所受干擾，就是共模干擾。但只有雙線傳輸時(shí)，共模和差模的區(qū)分才有價(jià)值。而且，一根線可以有“共?！保珱]有差模。當(dāng)然，概念也是人為定的。要么按公認(rèn)說法（事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)），要么按權(quán)威定義，比如，IEEE 標(biāo)準(zhǔn)。

下面我們?cè)賮?lái)舉個(gè)例子來(lái)看看：

差分運(yùn)放 一端加3 v 一端 2v

相當(dāng)于一端加vd=0.5，vc=2.5

一端加: vd=-0.5，vc=2.5

任何一種信號(hào),都是共模與差模的復(fù)合，但是是什么決定了哪些是共

模哪些是差模,就是看參考的信號(hào)了。單純的講一根線是沒有意義的，

參考地其實(shí)只不過是以地為0 信號(hào)。如果一端是VI，那么地端相當(dāng)于共模信號(hào)為VI/2，差模信號(hào)為-VI/2，綜合起來(lái)就為0 了而任意參考位為V2 的話，VI 里面的共模量應(yīng)為(V1+V2)/2，差模量為(V1-V2)/2另一端相當(dāng)于共模量(V1+V2)/2，差模量為-(V1-V2)/2，差模與共模只有相比較才有意義。

簡(jiǎn)單理解：你選擇了一個(gè)地之后，兩根線的相對(duì)高度就是差模。而兩

根線的絕對(duì)高度的平均值就是共模，當(dāng)兩根線的距離縮小到0，變成一

根線時(shí)，就只有一個(gè)高度了，因此它的絕對(duì)值就是共模。

此外，這里有一些在公開發(fā)表的學(xué)術(shù)期刊上的定義，都是各個(gè)作

者的理解，供參考：

1. 共模干擾是指干擾電壓出現(xiàn)在儀表輸人端的一

端(正端或負(fù)端)對(duì)地之間的交流信號(hào),它可用晶體管電壓表跨接于儀表

輸人端的一端(正端或負(fù)端)與地之間測(cè)量,一般對(duì)地干擾大多在幾伏到

幾十伏的范圍內(nèi)

2.共模干擾是指電路中兩個(gè)被測(cè)量點(diǎn)電位相對(duì)大地同時(shí)發(fā)生同方向交化而產(chǎn)生的干擾,而差模jf 擾則是電路中兩個(gè)被測(cè)量點(diǎn)的電位差發(fā)生相對(duì)變化而產(chǎn)生的干擾

3. 共模干擾是指模數(shù)轉(zhuǎn)換器兩個(gè)輸入端上共有的干擾電壓,它可能是直流或交流電壓,電壓幅值可根據(jù)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境達(dá)幾伏甚至更高.共模干擾又稱共態(tài)干擾,常用共模抑制比(CMRR)表示輸入電路對(duì)共模干擾的抑制能力
4. 共模干擾是指由電源的相線與地線所構(gòu)成回路中的干擾.差模干擾是指電源的相線和相線所構(gòu)成的回路中的干擾.傳導(dǎo)干擾主要是由電路中高速切換的電壓、電流與雜散寄生參數(shù)之間相互作用而產(chǎn)生的高頻震蕩所引起
5. 實(shí)際上傳導(dǎo)干擾又有共模和差模之分,所謂共模干擾是指地線與相線干擾信號(hào),線間的相位相同、電位相等,而差模干擾是相線間干擾信號(hào)相位差180(電位相等)
6. 共模干擾是指在保護(hù)裝置所有電路或電路的某一點(diǎn)與地(或外殼)之間形成的干擾(電位),如圖1 中的Vt 所示.它是保護(hù)裝置工作不正常的重要原因
7. 共模干擾”是指干擾大小和方向一致,其存在于電源任何一相對(duì)大地、或中線對(duì)大地間.共模干擾也稱縱模干擾、不對(duì)稱干擾或接地干擾,是載流體與大地之間的干擾共模信號(hào)和差模信號(hào)是指差動(dòng)放大器雙端輸入時(shí)的輸入信號(hào)。

共模信號(hào)：雙端輸入時(shí)，兩個(gè)信號(hào)相同。

差模信號(hào)：雙端輸入時(shí)，兩個(gè)信號(hào)的相位相差180 度。

任何兩個(gè)信號(hào)都可以分解為共模信號(hào)和差模信號(hào)。

設(shè)兩路的輸入信號(hào)分別為： A,B.

m,n 分別為輸入信號(hào)A，B 的共模信號(hào)成分和差模信號(hào)成分。

輸入信號(hào)A，B 可分別表示為：A=m+n；B=m-n

則輸入信號(hào)A,B 可以看成一個(gè)共模信號(hào) m 和差模信號(hào) n 的合成。

其中m=(A+B)/2；n=(A-B)/2。

差動(dòng)放大器將兩個(gè)信號(hào)作差，作為輸出信號(hào)。則輸出的信號(hào)為A-B，與原先兩個(gè)信號(hào)中的共模信號(hào)和差模信號(hào)比較，可以發(fā)現(xiàn)：

共模信號(hào)m=(A+B)/2 不見了，而差模信號(hào)n=(A-B)/2 得到兩倍的放大。

這就是差模放大器的工作原理。

差分信號(hào)一般是前級(jí)輸入的，或者一段接共模信號(hào)，一端接輸入信號(hào)。最最前面，可以用單端轉(zhuǎn)雙端啊。

對(duì)于差分放大，首先要建立正確的靜態(tài)工作點(diǎn)，也就是共模信號(hào)，譬如vcc 為1.8v 的時(shí)候，輸入的共模信號(hào)一般是0.9v，放大的差分信號(hào)是在0.9v 上下擺動(dòng)的信號(hào)~