硬件基础：差模和共模

大家好，欢迎来到IT知识分享网。

一直以来，都难以理解差模和共模这两个概念，什么差分信号、差模信号、共模信号，差模干扰、共模干扰……虽然看了一些资料，但貌似说法还挺多的，理解起来仍然是一头雾水。所以，专门用一篇文章来好好研究下这个问题。

单端传输

单端传输就是只用一根线传输信号，外加一根参考线，也就是地线

信号线上传输的就是信号线和地线之间的电位差。

也就是说，传输的就是实在的电压值，因为电压也是以地为参考的。

单端传输的优点就是成本低。

不过缺点也很明显，那就是抗干扰能力较差，因为传输的是对地的电位差，即常规的电压值，只要输入端有一点干扰，输出端就会存在这种干扰。也就是说，单端信号对地电压会发生波动，这种波动会影响信号的幅度，从而信号质量会大大降低。

所以，一般单端传输用于近距离传输，并且适合于高幅度信号，不适合于低幅信号，因为小信号更容易受到干扰。

网上很多地方都把单端传输叫做单端信号，其实是不严谨的，单端传输是一种信号的传输方式，而不是指一种信号。以后看到别人有这种说法，注意不要被误导了。

其实我们常规计算电压的方式，就是一种单端传输，因为电压的定义是针对地而言的。

单端信号

单端传输中，传输线上传输的信号，可以叫做单端信号。

差分传输

差分传输就是用两根线来传输信号，加上地线，一共就是三条线。

差分传输的两条信号传输线会随着地端同时变化，如果有干扰，两条线一起干扰，相减就没了。因此差分传输的抗干扰能力比较强。

另外，两条传输线也会抑制电磁干扰（EMI），原理为：两根线靠得很近且信号幅值相等，这两根线与地线之间的耦合电磁场的幅值也相等，同时他们的信号极性相反，其电磁场将相互抵消。因此对外界的电磁干扰也小。

差分传输也有缺点：在PCB设计时，单端信号可以只有一根信号线，地线走地平面。然而差分信号一定要走两根等长、等宽、紧密靠近、且在同一层面的线，这样会发生走线密集的情况。

网上很多地方都把差分传输叫做差分信号，其实是不严谨的，差分传输是一种信号的传输方式，而不是指一种信号。以后看到别人有这种说法，注意不要被误导了。

差分信号

差分传输中，两条传输线上传输的信号之差，可以叫做差分信号，它不是指一对信号，而是指相减之后得到的信号。

单端信号其实可以看作是一种特殊的差分信号，因为单端信号本质上是信号线针对地线的差分信号。

还有重要的一点是：所有的信号，或者说电压本身，其实就是一种差分，因为电压是两个点的电位之差，是一个点减去另一个点得到的差值。

可以这么说：电压=差分信号

差模信号和共模信号

在差分传输中，有三条线，两条信号线，一条地线。

实际的应用就是在差分运算放大器中。

比如

差分运放中，两条输入信号线的差值，就是我们要的差分信号，这里的差分信号就叫做差模信号，差模信号就可以看作上面信号源VDM两端的电压值，大小相同，方向相反。

同时，两条信号线上各自相对地加了个电压值VCM，这一对电压值叫做共模信号。如果这个信号是由干扰而来比如受到空间中的电磁干扰影响，那就可以叫做共模干扰。

先不看加的VCM，当运放两条信号线上的电位相减时，正常来说，得到的就是我们想要的差模信号，即差分值，也就是两端电压；

假设上方电压值为V1，下方电压值为V2，则V1-V2=VDM=2V1，V1和V2方向相反，大小相同；

当加上VCM之后，因为两个VCM是一样的，所以就会在相减时将这对共模干扰给抵消掉，此时共模干扰就不会对后续电路产生进一步的影响。

假设上方电压值为V1，下方电压值为V2，则(V1 + VCM) -( V2 + VCM) =VDM；

但是，如果共模信号因为某些原因不相等，那么，就会导致相减时，共模信号抵消不掉，反而会因为共模信号之间存在差值，而将这种共模信号转变成了差模干扰，混在了真实的差模信号之中，这个干扰如果经过放大器，就会被放大，后续放大的级数越多，不断叠加，影响越大。

举个例子说明：

上图中，我们的目标信号是Vdm，也就是差模信号；

当两端都加上个VCM即共模信号；

VDM+VCM-VCM=VDM，只要共模干扰被抵消掉，就不会产生差模干扰。

再捋一捋

其实共模信号和差模信号就是人为定义的两种信号：

差模信号：大小相等，方向相反的交流信号；双端输入时，两个信号的相位相差180度

共模信号：大小相等。方向相同。双端输入时，两个信号相同。

我们把满足上述条件的信号分别称为差模信号和共模信号。

我们的交流信号源本身就是一种差模信号，是我们需要的。

共模信号一般都是以共模干扰的形式存在。

差模信号中如果出现了满足差模定义的干扰，我们就称之为差模干扰。

差模干扰会混在真实的信号之中，所以对后续的输出影响较大。

差模干扰和共模干扰

对于一对信号线A、B：

差模干扰相当于在A与B之间加上一个干扰电压；

共模干扰一般是以共模干扰电流存在的形式出现的，一般情况下共模干扰电流产生的原因有三个方面:

1. 外界电磁场在电路走线中的所有导线上感应出来电压（这个电压相对于大地是等幅和同相的），由这个电压产生的电流。

2. 由于电路走线两端的器件所接的地电位不同，在这个地电位差的驱动下产生的电流。

3. 器件上的电路走线与大地之间有电位差，这样电路走线上会产生共模干扰电流。

器件如果在其电路走线上产生共模干扰电流，则电路走线会产生强烈的电磁辐射，对电子、电气产品元器件产生电磁干扰，影响产品的性能指标；另外，当电路不平衡时，共模干扰电流会转变为差模干扰电流，差模干扰电流对电路直接产生干扰影响。对于电子、电气产品电路中的信号线及其回路而言:差模干扰电流流过电路中的导线环路时，将引起差模干扰辐射，这种环路相当于小环天线，能向空间辐射磁场，或接收磁场。

共模干扰作为EMC干扰中最为常见且危害很大的干扰，抑制它的方法除了滤波外，还可以通过对信号线路进行屏蔽，在PCB 板上大面积铺地降低地线阻抗来减少共模信号强度等方法。

差模输入阻抗

差模输入阻抗可以用来描述电路对差模信号的接受能力，通常也就是对实际信号的接收能力。

有一些分析过程可以参考：

差分放大电路的工作原理及电路图讲解 – 应用电子电路 – 电子发烧友网

共模抑制比

上面说了，共模信号一般都是以共模干扰的形式来存在的，所以需要去掉这种干扰。

共模抑制比(CMRR) 是指差分放大器对同时加到两个输入端上的共模信号的抑制能力。

通常用对数来表示：

更多了解可参考：

理解运放电路的共模抑制比CMRR

更多补充