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共模滤波器是如何区分信号和噪声的？

面包板社区 · 公众号 · · 2024-04-17 14:12

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传导噪声的传导方式（模式）分为差模和共模两种。让差模传导的信号电流通过，而选择性地去除共模噪声，这便是共模滤波器的作用。在USB、IEEE1394、HDMI、DisplayPort等高速数字接口中，这种噪声对策部件都发挥着重要作用。

数字设备和连接线等都是辐射噪声的产生源。电子设备内部产生的辐射噪声如果未经处理，就会变成共模的传导噪声，从而对远距离的其它设备也造成负面影响。

首先要弄清传导噪声的类型

周围的电子设备或多或少地都会成为辐射噪声的产生源。靠简单的方法就可以确认这点。比如把便携收音机放到运行中的电脑或电视旁边，就会出现“吱吱”、“噼”的收信障碍。可以发现，即使是电池驱动的数码相机，也会变成辐射噪声的产生源。除了辐射噪声，还有通过电源线或信号线传导的传导噪声。不过，传导噪声会通过具有天线性质的线缆变为辐射噪声，而反过来辐射噪声也会变成传导噪声。由于噪声是如此地自如变换、神出鬼没，因此电子设备不仅需要防止自身成为噪声源，还要防止外来噪声导致的故障，也就是需要具有免疫性（抗性）对策。这就是EMC的基本思路。

一般来说，传导噪声可由电容器的“旁路”流入地面，或由电阻、铁氧体磁芯、贴片磁珠等“吸收”，作为热量发散。传导噪声还有一种重要的应对方式。这便是利用电感器（线圈）的性质，将噪声电流“反射”的方式。电感器能顺利通行直流电，但对交流电的阻抗（交流的电阻）高，能妨碍其流动。不过，传导噪声有差模和共模两种传导方式（模式），需要根据其差别来采取对策。不弄清噪声类型的话，即使在电路中添加噪声对策元件，也可能反而会增大噪声。

从信号源出发，通过信号线到达电路，再通过SG（Signal Ground）电路板回到电源。由于去路和回路的电流方向相反，因此称为差模。大部分信号电流都是差模。

共模噪声在信号线和SG（Signal Ground）电路板的流向相同，能通过与附近信号线形成浮游容量或磁结合等方式入侵。

愈发重要的共模噪声对策

差模是以信号线为去路、信号接地线（SG）为回路的传导模式。电路中的信号电流大部分是差模。

另一方面，共模则是去路和来路方向相同的传导模式。共模噪声因导线的阻抗不均衡而产生，在高频环境下会愈发显著。此外，共模噪声还会传导到地板和地面，形成巨大的循环后再返回，让远距离的电子设备也产生各种噪声故障。因此，数字设备不仅需要差模噪声对策，对共模噪声对策也很重视。

共模滤波器所要求的特性：通行信号电流（差模），去除共模噪声。USB和IEEE1394等接口的差动传导信号不会对信号波形产生负面影响。

例如，USB、IEEE1394、HDMI、DisplayPort等高速接口，会将相位差180°的信号通过2根信号线（双绞线）来传导。这称为差动传导方式，能以极高速度通行数据。差动传导方式的特点是辐射噪声少，也不容易受到外部噪声的影响。不过，现实中的2根信号线的通信特性不均衡，因此类原因，共模噪声电流会产生，让线缆化作天线，将噪声辐射出去。因此，USB、IEEE1394、HDMI、DisplayPort等高速接口常采用共模滤波器，而其中就利用了扼流线圈的原理。

针对急剧变化的交流电，扼流线圈会在相反方向产生电动力（诱导电流）（自我诱导作用），呈现出阻碍效果。

利用传导模式差异来巧妙分离噪声和信号

共模滤波器的构造是2个合体的扼流线圈。扼流线圈就是一个核心上缠有卷线的电子元件。卷线中有电流时，会产生磁通量，对急剧变化的电流造成阻碍效果（电感器的自我诱导作用）。所谓“扼流”（Choke）本来就是英文中扼制流动的意思。因为具有妨碍交流电流动的性质，所以称为扼流线圈。

不过，差模和共模信号电流都属于高频交流电。那为什么共模滤波器会放行差模信号电流，而只去除共模噪声电流呢？

这里的重点在于核心缠绕的2根导线的方向。共模滤波器的2根导线是以“相同方向”缠绕的，因此会发挥有趣的效果。

这样来看，信号电流将2根导线作为去路和来路，属于差模，在核心产生的磁通量是相反的，因此会抵消，允许信号电流顺畅流动。另一方面，共模噪声电流的方向相同，因此核心处的磁通量会合成，相互强化。结果是，妨碍作用变强，共模噪声电流被阻止。这便是共模滤波器的基本原理。小元件却有大效果。在高速、大容量的网络时代，共模滤波器正成为愈发重要的噪声对策元件。

共模滤波器是如何区分信号和噪声的？

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