一、基本概念与定义

1.1 差模信号 (Differential-Mode Signal)

差模信号是指一对幅度相等、相位相反的信号，在一对导线之间传输。这类信号是我们需要的有用信号，承载着电路要传递的真实信息。

差模信号又称为串模、常模或对称信号，其特点是两根信号线上的电流方向相反，总和始终为零。在实际应用中，差模信号是电子系统实现正常功能的基础。

1.2 共模信号 (Common-Mode Signal)

共模信号是指在一对导线上出现的幅度相等、相位相同的信号。这类信号通常是不希望存在的干扰信号，由外部电磁干扰或内部电路不对称产生。

共模信号又称对地感应信号或不对称信号，表现为两根导线对地存在的相同电位。在实际电路中，共模信号往往是对系统有害的噪声。

1.3 数学表达与关系

设有两个信号v₁和v₂，它们可以分解为共模分量和差模分量：

共模信号：Vcom = (v₁ + v₂)/2

差模信号：Vdiff = v₁ - v₂

反过来，原始信号可以表示为：

v₁ = Vcom + Vdiff/2

v₂ = Vcom - Vdiff/2

表：共模信号与差模信号特性对比

特性​	差模信号​	共模信号​
信号特点​	幅度相等，相位相反	幅度相等，相位相同
性质​	通常为有用信号	通常为干扰噪声
电流方向​	两线电流方向相反	两线电流方向相同
回流路径​	通过另一条信号线返回	通过地线返回

二、为什么需要区分共模与差模？

2.1 工程实际需求

区分共模和差模信号的核心价值在于有效抑制干扰，提高信号质量。在实际工程中，我们需要传输的有用信号通常以差模形式存在，而大多数外部干扰则以共模形式出现。

通过区分这两种信号模式，我们可以设计针对性的电路来抑制共模干扰，同时保留和放大差模信号。这种区分大大提高了系统的信噪比和抗干扰能力。

2.2 干扰性质的差异

差模干扰：幅度较小、频率较低（主要集中在1MHz以下），造成的干扰相对较小

共模干扰：幅度大、频率高（主要集中在5MHz以上），能够通过导线产生辐射，造成的干扰较大

2.3 船与水的比喻理解

这一概念可以用一个生动的比喻来理解：假设两只船静止在水面上，分别站着两个人A和B，他们相互拉着手。

差模信号好比两只船之间的相对高度差。当船上下波动时，A能感觉到B变化的拉力。这种相对变化是“有信息”的。

共模信号好比两船离水底的绝对高度的平均值。当水位整体上升或下降时，A感觉不到拉力的变化。这种整体变化是“无信息”的。

设计良好的电路（如差分放大器）应当只对差模信号（有用信号）响应，而对共模信号（干扰）不响应。

三、共模信号带来的问题与抑制必要性

3.1 共模干扰的主要危害

电磁辐射干扰：共模电流通过导线会形成辐射天线效应，导致设备电磁兼容测试超标。实验数据显示，仅10mA共模电流在30MHz频段就可产生超过CLASS B限值10dBμV/m的辐射场强

转化为差模干扰：当电路阻抗不平衡时，共模干扰会按公式转换为差模干扰电压：Vdm = [(Z₁ - Z₂)/(Z₁ + Z₂)] × Vcm，该电压直接叠加在信号线上，造成ADC采样误差或通信误码

器件可靠性损伤：高频共模电流通过轴承、接插件等部件时，可能引发放电腐蚀现象，缩短设备寿命

3.2 共模抑制比 (CMRR)

共模抑制比是衡量电路抑制共模信号能力的关键参数，定义为差模信号增益与共模信号增益之比的绝对值。CMRR值越大，表示电路对共模干扰的抑制能力越强。

CMRR(dB) = 20log₁₀(差模增益/共模增益)

一般运算放大器的CMRR值在70dB到120dB之间，高精度运放甚至可达120dB以上。在高频条件下，由于寄生电容影响，CMRR性能会减弱。

四、共模干扰的产生机理

4.1 外部电磁场感应

外界电磁波（如雷电、设备电弧、附近电台辐射）在导线与大地回路中感应出相同电压，形成共模电流路径。这种感应满足麦克斯韦方程组中的电磁感应定律。

4.2 地电位差驱动

当设备接地系统存在阻抗时，不同接地点之间的电位差会驱动电流通过信号线形成回路。例如，机房设备与远端传感器因接地电阻差异可能产生0.5V电位差，从而驱动数安培级的共模电流。

4.3 线路寄生效应

高速电路中的电压突变对线路寄生电容充放电，产生以大地为回路的位移电流。典型表现为开关电源MOS管漏极电压变化时，通过散热器寄生电容形成共模电流。

五、共模干扰的抑制技术与设计实践

5.1 常用抑制手段

共模扼流圈：

利用双线并绕结构产生同向磁场对共模信号呈现高阻抗，对差模信号阻抗很小；

当频率高于1MHz时，典型共模电感可提供超过600Ω的阻抗，衰减干扰电流20dB以上；

电容旁路：在导线与地之间接入Y型电容，为高频干扰提供低阻抗通路，设计时需满足 f_cutoff = 1/(2πRC) > 10f_noise；

屏蔽与接地：

采用金属屏蔽层并单点接地，消除地环路电位差；双绞线设计降低回路面积，减少磁场感应强度；

5.2 PCB布局关键准则

差分走线规则：

差分对应等长、等宽、紧密靠近、在同一层面，最重要规则是匹配线长，其他可根据设计要求灵活处理，避免不必要的弯曲和分支，保持差分对称性；

地平面设计：

保持完整地平面，为共模电流提供低阻抗回流路径，避免地平面裂缝，防止共模干扰转化为差模干扰；

隔离与分区：

将高频电路与I/O端口隔离，减小寄生电容耦合，模拟与数字电路分区域布局，降低相互影响；

六、实际应用案例与故障排查

6.1 常见应用场景

差分传输接口：如RS-422/485、USB、LVDS等，利用差分信号抗干扰能力强的特点，实现可靠的数据传输；

仪表放大器：通过高共模抑制比，精确提取微弱信号，广泛应用于传感器信号调理；

开关电源：采用共模滤波技术，减少电源对外的电磁干扰；

6.2 故障排查方法

干扰源判断：

雷电、附近发生的电弧、大功率辐射装置在电缆上产生的主要是共模干扰；

同一电力线上的马达、开关电源、可控硅等产生的主要是差模干扰；

仪器测量：

使用频谱分析仪和电流卡钳进行测量；

通过对比单线和双线测量结果，判断干扰成分；

七、检查清单与设计要点总结

7.1 共模抑制设计检查清单

[ ] 差分信号线是否做到等长、等宽、紧密靠近？

[ ] 是否采用了适当的共模滤波元件？

[ ] 接地系统是否低阻抗且一点接地？

[ ] 屏蔽措施是否到位且有效接地？

[ ] 高频电路与I/O端口是否充分隔离？

7.2 关键设计要点

对称性是基础：确保差分路径的完全对称是提高共模抑制比的关键

完整回流路径：提供低阻抗共模电流回流路径，避免共模干扰转化为差模干扰

综合治理：结合滤波、屏蔽、接地等多种手段，多管齐下抑制共模干扰

 

结语：共模与差模信号的理解是电子工程设计的基础。通过本培训教程，凌昆科技的设计工程师应掌握两种信号的特性和区别，在实际设计中有效识别和抑制共模干扰，提高产品性能和可靠性。持续关注信号完整性设计技术，将为公司产品在激烈市场竞争中赢得先机。

本文档版权归深圳凌昆科技有限公司所有，未经许可不得外传

修订日期：2019年6月19日

适用范围：内部设计工程师培训