什么是共模噪声？

实际上，所有集成电路（以及一般的电路）都有一个名为“接地”或“GND”的引脚，或者数据表上写着“将 VSS 接地”之类的内容。

在“长距离”传输数据时，电线充当天线，很容易接收到几伏的噪声，还会辐射噪声。因此，例如，一个盒子中芯片上的输出引脚可以传输大约 0.5 V 的“0”，传输大约 2.5 V 的“1”位，相对于同一“线路驱动器”芯片的接地引脚测量.

在远处，电线的另一端通常连接到“线路接收器”芯片上的引脚。由于噪声，当发射器试图发送“0”时，相对于同一线路接收器的接地引脚测量的该输入引脚上的电压通常可能在 -1.5 V 至 +2.5 V 范围内的任何位置，并且当发射器试图发送“1”时，在 0.5 V 到 4.5 V 范围内的任何位置。

那么，当接收器获得像 0.9 或 2.2 这样的电压时，接收器如何知道发送器是在尝试发送 1 还是 0 呢？

因此，长距离传输的数据通常使用差分信号通过平衡对（通常是双绞线）发送。特别是，USB、CANbus 和 MIDI 电缆包括用于数据的单双绞线；“2 线”电话和 FireWire 使用两条双绞线；CAT5e 以太网电缆包括四对双绞线；其他系统使用更多的对。通常（但并非总是），同一束电缆中还有一些其他“地线”。

我们将其中一根线标记为“加号”或“正极”或“+”或“p”，另一根线标记为“减号”或“-”或“负极”或“n”。因此，当我想将“CLK”和“MOSI”信号从一个地方传输到另一个地方时，我的电缆有 4 根线，分别标有 pCLK、nCLK、pMOSI、nMOSI。

CLK的共模电压是两条 CLK 线的平均值，(pCLK + nCLK)/2，在接收器处测量 - 相对于该接收器的 GND 引脚。

MOSI 的共模电压是两条 MOSI 线的平均值，(pMOSI + nMOSI)/2，在接收器处测量 - 相对于该接收器的 GND 引脚。

设计线路驱动器的人试图让他们将“p”线拉高，同时“n”线下降，反之亦然，因此平均电压（在驱动器处测量）是恒定的 - - 在这个例子中，驱动器的平均值是恒定的 1.5 V。（唉，他们永远不会完全成功）。

如果没有噪声，那么共模电压也将是相同的恒定值——但可惜，事实并非如此。

每当使用差分信号传输数据时，无噪声共模电压与实际共模电压之间的差异完全是由噪声引起的。这种差异称为共模噪声。

产生共模噪声的主要原因有 3 个：

• 许多差分对的驱动方式不会在完全相同的时间切换“+”和“-”线，或者使用完全相同的电压，或者线路驱动器电源轨上的少量噪声仅泄漏到“+”线而不是“-”线，会导致一些共模噪声。（电缆“驱动器”端的铁氧体扼流圈通常用于降低来自该源的共模噪声）。
• 电缆束中的其他电线可能会比另一根电线泄漏更多的能量——通常是通过电容耦合。（每对绞合不同数量的绞合长度通常用于减少来自该源的共模噪声）。
• 外部干扰——通常通过电感耦合。

共模噪声怎么会有问题？

人们试图设计线路接收器来抑制共模噪声。（唉，他们永远不会完全成功）。但即使在这样的线路接收器中使用差分信号的系统中，共模噪声仍然可能是个问题：

• 长通信线充当天线。如果线路驱动器向电线发送过多的共模噪声，则会对其他设备造成射频干扰，并导致系统无法通过 FCC 测试或 CE 测试或两者兼有，以实现电磁兼容性 (EMC)。

• 一些共模噪声通过线路接收器泄漏——共模抑制比不是无限的。这是模拟信号的一个大问题；通常不是数字 1 和 0 的问题。

• 当任何引脚被强制过高或两个过低时，大多数集成电路都无法正常工作——低于 GND 引脚的电压低于 0.6 V，高于电源引脚的电压高于 0.6 V 通常会导致问题。由于共模噪声很容易将“+”或“-”信号或两者都推到该范围之外，因此线路接收器电路必须将电线连接到特殊集成电路（例如“扩展共模 RS-485 收发器") 可以处理此类短途旅行；或者将电线连接到一些非集成电路组件，以保护 IC 免受此类偏移 - 例如 MIDI 中使用的光隔离器或以太网中使用的变压器。

“共模电压”只是出现在两条信号通路上的平均值。在差分放大器的两个输入的背景下，我更容易想到它，其中共模电压明确定义为$(V_+ + V_-)/2$. 这个数字是否反映了一些人认为的噪声或其他人认为的信号与定义无关。

现在，至于为什么它有问题，有时是，有时不是。通常，我的目标是将所有 EM 噪声作为共模出现在一个好的放大器中，并使用双绞线来实现这一点。“好”是指具有高共模抑制比的放大器。对于这样的放大器，差分信号（$V_+ - V_-)$被放大并且共模电压被衰减（如果你做得对的话会非常衰减）。如果不使用双绞线，每条信号路径都可以看到非常不同的 EM 噪声模式，因此 EM 噪声不再是共模，而是差分。

突出差异的一个特定示例是专业音频，它使用带有 XLR 连接器的双绞线电缆传递信号，而消费音频则使用单端信号传递。

如果共模抑制比不高，即使是共模噪声也会有问题。例如，如果您构建一个“典型的”单运算放大器差分放大器，其电阻容差很差（即大多数），则共模抑制比会很差。

那么，回到“为什么会出现问题”？- 它比差分噪声问题少，但不一定是消除信号噪声的神奇技术，特别是如果硬件不是为了最佳地衰减共模信号而构建的。

正确，它们都相对于地球或任何你称之为参考 0V 的东西弹跳。想象它就像弹簧上的电池 - 电池电压保持恒定，但电池本身到处飞。是的，我知道，这是一个糟糕的类比！！！

通常，共模噪声是指差分对的两条线相对于从它们获取输入的设备的电源反弹。反弹是相对于负轨、正轨还是两者之间的某个点测量的通常并不重要，因为在共模噪声很重要的情况下，它通常比电源噪声重要一个数量级。

如果设备的输入相对于负轨有例如 0.1 伏的共模噪声，并且设备的电源上有 10mv 的噪声，那么无论选择哪个电源参考点，共模噪声都会介于 0.09 和 0.11 伏之间。如果 0.1 伏的共模噪声不会成为问题，那么 0.11 可能也不会；如果 0.1 伏是个问题，那么 0.09 可能也是。