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硬件设计--共模和差模信号

硬件设计--共模和差模信号

1、信号种类的划分
电缆中的电信号可以分为一般信号、差模信号和共模信号。
一般信号:在两根线之间出现的一种信号(不同於共模信号),或者是一根单线以大地、机箱或者遮罩层为参考(或者通过它形成回路)的信号。一般信号可通过一个平衡或者不平衡发送通道中的两根线之间读出。(对平衡双线通道,一根线是驱动正信号而另外一根线驱动大小一样的负信号,两个信号都跟一个静态或者没有信号的条件相关,这个条件中两根线对电路公共端的电压都是一样的。)

差模信号:以差分的形式出现在未接地的双线电缆结构中。

共模信号:以相同的形式出现在没有接大地、遮罩层或者局部公共端的双线电缆的两根线中,它通常但不总是一种不期望出现的接收电路应该抑制的信号。共模电压用两个信号电压对局部接地或者公共端的平均值来表示

2、共模信号的定义
以局部共同端或者接地为参考,共模信号就在双线电缆的两根线上出现,幅度和相位都相同。很明显,当双线中的一根接到地时共模信号就不会出现。技术上共模电压是平衡电路各导体对地电压的向量和的一半,这种信号可由下面一个或者多个因素引起∶
(a)射频信号同时耦合到双线上 。
(b)驱动电路中信号公共地端的偏置产生。
(c)发射和接收端之间存在地电位差 。

3、共模和差模区别
两个大小相等、极性相反的一对信号称为差模信号。差动放大电路输入差模信号(uil=-ui2)时,称为差模输入。两个大小相等、极性相同的一对信号称为共模信号。差动放大电路输入共模信号(uil=ui2)时,称为共模输入。
差模输入使两管的集电极电流一增一减,相应两管的集电极电位也一增一减,于是有输出电流出现。而在共模输入信号作用下,如果两管完全对称,则两管的集电极电位变化相同,因而此时输出电压为零。

4、共模信号的起源 共模电压的3个起源是eGD, eLC和 EOS。
EOS是由单电压供电的差动驱动电路引入的一个典型的直流偏移量。
eGD是一个描述发送端和接收端的地电位差的噪声信号。它通常是一个包含电力线频率基波和可能的几个谐波的交流信号。
eLC是一个同时在两根发送线上产生的纵向耦合噪声信号,产生的主要原因是外部信号源的电容耦合、电磁耦合或者电感耦合。

5、尽量减小共模信号
使用双电源供电的差模驱动器可以把 EOS减小到很小甚至把它消除。相比起来,eGD仅可以通过尽量保证发送端和接收端相对近的距离来减小。eLC可以通过使用双绞线来使它最小化∶电缆引人的噪声在两根紧绕的线上都会产生。另外,相对干扰电场来说因为线的非对称性,所以会存在一般信号。负载必须是对称的,意思是双绞线的两根线上的电阻性或者电容性负载阻抗必须匹配。电感耦合信号只有通过电磁遮罩才能防止。(注意任何载流导线都是电磁辐射的信号源。)

6、抑制共模信号
在接收电路中必须抑制共模信号VCM。当接收电路是无源的(耳机或者扬声器)、变压器耦合、隔离的并且用电池供电或者其他不以任何方式以发送电路公共端为参考(不管是容性或者是电阻性连接)的时候是非常容易实现的。这些结构天生对共模信号具有免疫能力,但是以发送电路公共端作为参考的接收电路必须按能接收在它们上面出现的所有共模信号设计。这样的设计需要具有高共模抑制比(CMR)的差动接收机。如果VCM的幅度相对较低,用一个单独的高共模抑制比接收机就足够了。

7、高共模抑制比接收机是怎样工作的
所有高共模抑制比接收机或者由差动对管构成或者由三级放大器组成的传统仪器放大器构成。在共模电压到来时,每个放大器接收一个差动输入,这些放大器都具有比电源电压稍小的共模抑制。这种电路对模拟信号和数字信号都有效。
如果VCM超过接收机的共模抑制范围就必须使用额外的隔离措施。大多数这样的电路都需要使用变压器耦合的隔离电源,再配合下面任何一项措施∶
光耦合电路
电容耦合差动电路
电感耦合电路
电阻耦合差动电路
可以在幅度很大的共模信号出现时将信号通过隔离物体耦合,它们靠的就是采用变压器耦合的隔离电源。隔离电压的极限由变压器和所选用的隔离方法决定,要隔离2500V或者更高的电压,采用变压器耦合、光耦合和电容耦合技术比较实际。电阻耦合通常局限於50V到100V的范围。
电阻耦合要求传送数据经过一个对数据和共模信号均具有衰减作用的电阻衰减器,因此当接收小信号的原始信号时,电阻隔离受到接收电路可容纳的共模信号大小的限制。不同隔离驱动器对隔离电源的需求不同。由於现在的电源不采用电感耦合器件,因此需要使用外部隔离电源。
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