共模信号

共模信号（Common-Mode Signal） 是电子电路中两个导体相对于同一参考点（如地线）具有相同幅度和相位的信号分量。它通常代表干扰或噪声，而差模信号（Differential-Mode Signal）则是两导体间的有效信号差。以下是其核心概念、影响及抑制方法的系统解析：

一、基本定义与数学模型

1. 信号分解
   任意一对差分信号（$V_1$ 和 $V_2$）可分解为共模（$V_{CM}$）和差模（$V_{DM}$）分量：

   $$V_{CM}=\frac{V_1+V_2}{2},V_{DM}=V_1-V_2$$

   • 共模信号：$V_{CM}$ 反映两信号对地的平均偏移。

   • 差模信号：$V_{DM}$ 承载有效信息（如音频、数据）。

2. 示例

   • 若 $V_1=5.1V$，$V_2=4.9V$（参考地 $GND=0V$）：

     $$V_{CM}=\frac{5.1+4.9}{2}=5V,V_{DM}=0.2V$$

     此时共模电压为5V，差模信号为0.2V。

二、共模信号的来源与危害

1. 主要来源

• 电源干扰：开关电源的高频噪声通过地线耦合到信号线。

• 电磁辐射：附近设备（如电机、无线电）的电磁场在导线上感应出同相电压。

• 地电位差异：长距离传输中，两端接地点的电位差形成共模电压。

• 传感器偏置：某些传感器（如热电偶）输出包含共模偏移。

2. 危害

• 信号失真：共模噪声被误判为有效信号（尤其在高增益放大器中）。

• 设备损坏：过高的共模电压超出电路耐受范围，击穿元件。

• EMI问题：共模电流通过寄生电容辐射，干扰其他设备。

三、共模抑制技术

1. 硬件设计

• 差分放大器：

  • 利用运算放大器抑制共模信号，关键参数为共模抑制比（CMRR）：

    $$\text{CMRR (dB)}=20{\log }_{10}\left(\frac{A_{DM}}{A_{CM}}\right)$$

    其中 $A_{DM}$ 为差模增益，$A_{CM}$

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