詳解差模電壓和共模電壓

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”，要把兩個(gè)輸入端看作“整體”。就像平面坐標需要用 x,y 兩個(gè)數表示，而到了高中或大學(xué)就只要用一個(gè)“數”v，但這個(gè) v 是由 x,y 兩個(gè)數構成的“向量”……

而共模、差模正是“輸入信號”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*等價(jià)的。只不過(guò)換了一個(gè)認識角度，就像幾何學(xué)里的坐標變換，同一個(gè)點(diǎn)在不同坐標系中的坐標值不同，但始終是同一個(gè)點(diǎn)。運放的共模輸入范圍：器件（運放、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的范圍。顯然，不存在“某一端”上的共模電壓的問(wèn)題。但“某一端”也一樣存在輸入電壓范圍問(wèn)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。

對其它放大器，共模輸入電壓跟單端輸入電壓范圍就有區別了。例如對于儀放，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(zhù)兩個(gè)人，A 和B。 A 和B 相互拉著(zhù)手。當船上下波動(dòng)時(shí)，A 才能感覺(jué)到B 變化的拉力。這兩個(gè)船之間的高度差就是差模信號。當水位上升或者下降時(shí)，A 并不能感覺(jué)到這個(gè)拉力。 這兩個(gè)船離水底的高度就是共模信號。于是，我們說(shuō)A 和B 只對差模信號響應，而對共模信號不響應。當然，也有一定的共*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致船沒(méi)法在水面上停留理論上，A 和B 應該只是對差模有響應但實(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(jué)：似乎對方相對自己在動(dòng)。這就說(shuō)明，A 和B 內力較弱，共模抑制比不行啊。當然,差模電壓也不可以太大，否則會(huì )導致把A 和B 拉開(kāi)。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”。

共模電壓應當是從源端看進(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(chēng)為直流共模抑制（比），交流的稱(chēng)為交流共模抑制（比），統稱(chēng)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，即頻率響應不行。一般的信號均有源阻抗，此阻抗可以不同程度破壞電路的對稱(chēng)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)數據數冊。不僅僅是在運放電路中。只要是電信號傳輸，都可以分為共模和差模差模是兩根信號線(xiàn)之間的， 共模是信號對地的 所以只要有信號傳輸就有共模干擾。準確說(shuō)是：一根線(xiàn)共模和差模疊加在一起，無(wú)法區分，只有雙線(xiàn)傳輸才能區分共模和差模。先看共模和差模的由來(lái)，也就是這種區分的價(jià)值

1. 傳導干擾下：

假設系統的公共參考點(diǎn)（“地”）受干擾，電位發(fā)生了波動(dòng)。其實(shí)電位這個(gè)概念嚴格說(shuō)只有相對意義，一個(gè)孤立點(diǎn)不存在什么“電位”，所以波動(dòng)一定要相對另一個(gè)參考點(diǎn)的，例如：大地，或與你的板子或整機相連的那個(gè)設備的參考點(diǎn)。這時(shí)，兩個(gè)設備間的兩根信號線(xiàn)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性，在很小的空間內，可以認為電磁波是均勻的，如果兩根線(xiàn)靠得很近，兩根線(xiàn)所受干擾也是近似相同的。

按一般說(shuō)法，任意一根信號線(xiàn)相對地線(xiàn)所受干擾，就是共模干擾。但只有雙線(xiàn)傳輸時(shí)，共模和差模的區分才有價(jià)值。而且，一根線(xiàn)可以有“共模”，但沒(méi)有差模。當然，概念也是人為定的。要么按*說(shuō)法（事實(shí)標準），要么按定義，比如，IEEE 標準。

下面我們再來(lái)舉個(gè)例子來(lái)看看：

差分運放 一端加3 v 一端 2v

相當于一端加vd=0.5，vc=2.5

一端加: vd=-0.5，vc=2.5

任何一種信號,都是共模與差模的復合，但是是什么決定了哪些是共模哪些是差模,就是看參考的信號了。單純的講一根線(xiàn)是沒(méi)有意義的，參考地其實(shí)只不過(guò)是以地為0 信號。如果一端是VI，那么地端相當于共模信號為VI/2，差模信號為-VI/2，綜合起來(lái)就為0 了而任意參考位為V2 的話(huà)，VI 里面的共模量應為(V1+V2)/2，差模量為(V1-V2)/2另一端相當于共模量(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(xiàn)的相對高度就是差模。而兩根線(xiàn)的高度的平均值就是共模，當兩根線(xiàn)的距離縮小到0，變成一根線(xiàn)時(shí)，就只有一個(gè)高度了，因此它的值就是共模。

此外，這里有一些在公開(kāi)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在儀表輸人端的一端(正端或負端)對地之間的交流信號,它可用晶體管電壓表跨接于儀表輸人端的一端(正端或負端)與地之間測量,一般對地干擾大多在幾伏到幾十伏的范圍內

2.共模干擾是指電路中兩個(gè)被測量點(diǎn)電位相對大地同時(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)被測量點(diǎn)的電位差發(fā)生相對變化而產(chǎn)生的干擾

3. 共模干擾是指模數轉換器兩個(gè)輸入端上共有的干擾電壓,它可能是直流或交流電壓,電壓幅值可根據應用現場(chǎng)的環(huán)境達幾伏甚至更高.共模干擾又稱(chēng)共態(tài)干擾,常用共模抑制比(CMRR)表示輸入電路對共模干擾的抑制能力

4. 共模干擾是指由電源的相線(xiàn)與地線(xiàn)所構成回路中的干擾.差模干擾是指電源的相線(xiàn)和相線(xiàn)所構成的回路中的干擾.傳導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)際上傳導干擾又有共模和差模之分,所謂共模干擾是指地線(xiàn)與相線(xiàn)干擾信號,線(xiàn)間的相位相同、電位相等,而差模干擾是相線(xiàn)間干擾信號相位差180(電位相等)

6. 共模干擾是指在保護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大地、或中線(xiàn)對大地間.共模干擾也稱(chēng)縱模干擾、不對稱(chēng)干擾或接地干擾,是載流體與大地之間的干擾共模信號和差模信號是指差動(dòng)放大器雙端輸入時(shí)的輸入信號。

共模信號：雙端輸入時(shí)，兩個(gè)信號相同。

差模信號：雙端輸入時(shí)，兩個(gè)信號的相位相差180 度。

任何兩個(gè)信號都可以分解為共模信號和差模信號。

設兩路的輸入信號分別為： A,B.

m,n 分別為輸入信號A，B 的共模信號成分和差模信號成分。

輸入信號A，B 可分別表示為：A=m+n；B=m-n

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

其中m=(A+B)/2；n=(A-B)/2。

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

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

這就是差模放大器的工作原理。

差分信號一般是前級輸入的，或者一段接共模信號，一端接輸入信號。前面，可以用單端轉雙端啊。

對于差分放大，首先要建立正確的靜態(tài)工作點(diǎn)，也就是共模信號，譬如vcc 為1.8v 的時(shí)候，輸入的共模信號一般是0.9v，放大的差分信號是在0.9v 上下擺動(dòng)的信號~