电路中信号传输与噪声干扰的两种基本模式介绍

电器中的导线与噪音类型电器设备的电源线、电话等的通信线，以及与其他设备或外围设备进行交互的通讯线路，通常包含至少两根导线。这两根导线作为双向传输的线路，负责输送电力或信号。除此之外，为了确保电气性能的稳定，还会引入第三导体，即“地线”。在电压和电流通过导线传输时，会呈现出两种不同的形态。一种是两根导线分别作为往返传输的线路，被称为“差模”传输;另一种则是两根导线作为去路，地线作为回路进行传输，被称为“共模”传输。

共模和差模是电路中信号传输与噪声干扰的两种基本模式

，其核心区别在于信号路径、相位关系及对系统的影响。差模对应有效信号的传输，而共模通常代表非预期的噪声干扰。以下从定义、信号特征、电流路径及磁场效应四方面展开分析。核心定义与信号特征，差模信号(Differential Mode)指在双线系统中，两根导线之间形成的有效工作信号。其典型特征为幅度相等且相位相反，例如+1V与-1V的电压差构成2V的差模信号。这种设计可有效抑制外部干扰，常见于USB、以太网等差分信号传输场景。

共模信号(Common Mode)表现为两根导线同时对参考地(如机壳或大地)产生的同相位干扰信号。典型实例包括电源线引入的高频噪声或电磁辐射干扰，其特征为两线对地电压幅值相近且方向相同，如两线均带有+5V的对地波动。电流路径与干扰传播方式，差模电流沿闭合环路流动：电流从信号源正极出发，经负载返回负极，形成完整的信号传输回路。差模干扰(如电源纹波)会叠加在信号路径上，与有效信号同方向传输，可能直接导致信号失真。共模电流则通过寄生电容等路径形成非对称回：干扰电流同时从两线流向大地，或经设备外壳等非设计路径返回源头。例如雷击时，50%的浪涌电流通过火线对地泄放，另50%通过零线对地泄放，这种分布可能引发设备绝缘击穿。

◉ 差模和共模传输

接下来，我们详细了解一下“差模电流”。在差分信号线中，差模电流表现为一对大小相同、方向相反的信号。它是电路中的主要工作电流，对于信号线而言，差模电流就是在信号线与信号地线之间流动的电流。

◉ 差模与共模电流

共模电流，指的是在一对差分信号线上，同时存在的一对大小相同、方向相同的信号(或噪音)。在电路中，这类对地噪音通常以共模电流的形式进行传输，因此也被称为共模噪声。02共模电感的作用与原理抑制共模噪声的方法不胜枚举，除了在源头着手减少共模噪声，常用的手段之一便是利用共模电感来滤除这些噪声。通过在线路中串联共模扼流器件，可以有效地增大共模回路的阻抗，进而使得共模电流被扼流器所消耗和阻挡(或反射)，最终达到抑制线路中共模噪声的目的。

共模扼流器或电感的原理在于其特殊的线圈设计。当在以某种磁性素材制成的磁环上绕上同向的一对线圈，并通以交变电流时，由于电磁感应，线圈中会产生磁通量。对于差模信号，由于线圈的绕向相同，产生的磁通量大小相等而方向相反，它们在磁环中相互抵消，使得差模阻抗变得非常小。然而，对于共模信号，由于磁环上的线圈是同向绕制的，产生的磁通量大小和方向都相同，它们在磁环中相互叠加，从而产生了较大的共模阻抗。正因如此，共模电感对于差模信号的影响相对较小，但对共模噪声却具有出色的滤波效果。

◉ 共模电感抑制共模噪声

(2)当共模电流通过共模线圈时，由于磁力线方向相同，感应磁场得到加强。从磁力线的方向可以清晰地看出，实线箭头代表电流的流向，而虚线则表示磁场的方向。

◉ 共模电感的电感与互感

共模线圈的电感，又被称为自感系数，是衡量产生磁场能力的一个重要参数。对于共模线圈或共模电感而言，当共模电流通过线圈时，由于磁力线方向的一致性，在不考虑漏感的前提下，磁通量会相互叠加。这种叠加效应正是基于互感原理，即一个线圈产生的磁力线会穿过另一个线圈，同时另一个线圈产生的磁力线也会穿过前者，从而实现彼此的感应。

从电感的视角出发，其电感量会显著增长。磁链，作为总磁通量的衡量标准，在共模电感中扮演着关键角色。当磁通量翻倍，而匝数和电流保持不变时，电感量也随之增加一倍，进而导致等效磁导率提升一倍。等效磁导率增加一倍的原因，可以从电感公式中得出答案。在匝数N保持不变、磁路和磁芯截面积由磁芯物理尺寸决定且同样未发生变化的情况下，唯一改变的是磁导率μ，其增加了一倍。这一变化导致了磁通量的显著提升。

因此，在共模电流通过时，共模电感会进入互感模式。在互感的作用下，等效电感量会有所增加，从而导致共模感抗显著提升。这种提升使得共模电感对共模信号表现出色，即能够通过大阻抗有效地阻挡共模信号，防止其通过共模电感进入电路的下一级。这一特性归功于电感产生的感抗ZL。在共模模式下，共模电感的电感量变化关键在于理解互感现象。要把握磁性元器件的磁场变化形式，必须透过现象深入理解其本质。同时，磁力线作为我们认识磁场的直观方式，对于理解同名端、异名端以及互感等概念至关重要。因此，掌握“磁棒绕线法”是理解这些磁场现象的关键。

一个简单的电路，包括一个闭合的回路，有一个差模信号源，一个负载。在差模信号源作用下，回路中产生了差模电流。如果信号源是直流的，一切情况都是我们所熟悉的，全部电流局限在设计好的电路回路中。

但是，如果信号源是交流信号，就会出现意外的情况。由于回路导体与周围的导体之间存在杂散电容，这些杂散电容为交流信号提供了一个通路，因此会有一部分电流从差模回路中逃逸出来，从空间杂散电容返回信号源。这就是共模电流。

这里存在两个电流回路，差模电流回路和共模电流回路。具体多少电流从共模回路返回，取决于两个回路的阻抗之差。如果差模阻抗为0，共模阻抗为无限大，就不会有共模电流。差模回路旁边的这个金属物体，通常被叫做“地”，这个“地”构成了共模电流路径的一部分。电子系统中很多干扰故障是由共模电流导致的，由于共模电流都要经过“地”，因此，共模电流导致的电磁干扰现象经常与设备的“接地”状态有关。例如，某系统中，两个模块的金属外壳只要同时接触到金属台架，就出现干扰问题。只要将一个绝缘安装，就不会有问题。这是因为旁边一条电缆上有很大的共模电流。