深刻認(rèn)識(shí)差模電壓和共模電壓[1]

1、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”。就像初中時(shí)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(guò)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

2、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(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(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Bo A和B相互拉著手。當(dāng)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(hào)。當(dāng)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

3、個(gè)船離水底的絕對(duì)高度就是共模信號(hào)。于是，我們說(shuō)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(méi)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(jué)：似乎對(duì)方相對(duì)自己在動(dòng)。這就說(shuō)明， A 和 B 內(nèi)力較弱， 共模抑制比不行啊。說(shuō)笑了啊，不過(guò)大致也就是這個(gè)意思。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(kāi)。主要是這句“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

4、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(shuō)是：一根線共模和差模疊加在一起，無(wú)法區(qū)分，只

5、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(shuō)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(shuō)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)

6、值。而且，一根線可 以有“共模”，但沒(méi)有差模。當(dāng)然，概念也是人為定的。要么按公認(rèn)說(shuō)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=0.5vc=2.5一端加 :vd=-0.5vc=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(méi)有意 義的，參考地其實(shí)只不過(guò)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)

7、/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(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(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

8、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