【導讀】在實際噪聲抑制措施中，噪聲源很少會直接連接到天線。很多情 況下，在普通模式中產生噪聲，然后被轉換為共模。之后，噪聲通過電子設備的接地傳輸，并通過電纜或屏蔽罩作為天線進行發射。因此，需要在噪聲傳輸路徑中考 慮普通模式到共模的轉換。
在接收噪聲時則情況相反。許多噪聲往往是在共模侵入的，但是，當電路出現故障或被破壞時，最終會變成普通模式。在這種情況下，從共模轉換為普通模式就是一個問題。由于噪聲發射和接收機制相同，為了便于解釋，我們僅著重于噪聲發射。
如圖所示，本章節首先介紹了噪聲通過導體傳輸存在的兩種模式（共模和普通模式），然后介紹了普通模式到共模的轉換。普通模式常常表現為差模。不過，為了避免與差分信號混淆，本課程中將其稱為噪聲的普通模式。
噪聲的導體傳導
由于噪聲是一種電能，如果連接了導體，噪聲就會通過導體傳導。但是，如果導體構成一個類似電纜的集束，可通過兩種不同的方式解釋噪聲傳導: 共模和普通模式。其中，共模會導致很強的無線電波發射和接收，并且具有復雜的機制，常常對工程師進行噪聲抑制造成問題。
本章節將首先解釋共模和普通模式，然后介紹消除噪聲的EMI靜噪濾波器的基本結構。共模的產生將在下一個章節解釋，因為它涉及一個特殊概念。
共模噪聲
(1) 電纜作為天線發射噪聲的示例
圖1中的測試再現了電子設備噪聲抑制中經常出現的情形。
通過接口電纜連接電子設備（噪聲抑制前），測量電纜作為天線發射的噪聲。如果沒有電纜，噪聲電平非常低，如圖1(a)所示。但是，連接了電纜時，在100MHz到300MHz的頻率范圍內噪聲增加，如圖1(b)所示。[page]
可以這樣理解: 在此狀態下，電子設備發射的噪聲從連接器傳導至接口電纜，然后以電纜作為天線進行發射。
圖1 電子設備電纜發射噪聲的示例
(2) 研究傳導噪聲的線路
電纜內有多根導線。那么，在圖1的測試中，傳導噪聲的是哪根導線？
一般而言，接口電纜包括接地線，電源線和信號線等。圖1的情況實際上是屏蔽電纜，噪聲也可能通過屏蔽傳導。因此，將具有與接口電纜相同形狀的單根 導線連接至相應線路相連的連接器內的端子，然后測量噪聲。測量結果如圖2所示。在此我們選擇了速度相對較低的信號線作為代表。
參照圖2的結果可以得知，雖然多少有些不同，但無論連接哪條線路，都會發射幾乎與圖1(b)所示趨勢相同的噪聲。當如圖2(d)所示連接到屏蔽接地時，也會發射噪聲。
圖2中的結果表明，無論電纜連接到連接器內的哪個端子，都會引起共同的噪聲。如上所述，通過電纜內導線共同傳導的噪聲被稱為共模噪聲。
圖2 研究每根線路發射成分的結果
(3) 疊加到接地的噪聲也被稱為共模噪聲
相反，電路的接地一般為電壓的基準點，也就是發射噪聲最少的地方。如果如圖2(c)，(d)所示噪聲疊加到接地，同樣的噪聲將疊加到電源和信號。因此，疊加到接地的噪聲有時也被稱為共模噪聲。
盡管共模噪聲是噪聲抑制要處理的一個常見問題，但卻是有著復雜概念和機制且難以從邏輯上解釋的成分。首先本章節將介紹共模的成分是如何傳輸的，然后下一個章節將介紹導致共模噪聲的機制。[page]
噪聲傳導的兩種模式
(1) 共模和普通模式
電路以電流沿路徑流動一周為基礎。如果按圖3(a)所示截取電路的一部分作為電纜，電纜有兩根導線，分別供電流進入和流出。相同大小的電流以相反的方向相互流動。因此，總和始終為零。這種電流流動的方式被稱為普通模式。
相反，電流可能在電纜內的線路中以相同方向流動，如圖3(b)所示。這種方式被稱為共模。共模是電流的一個成分，不管什么形狀的線路都承受相同電 壓，電流在圖中向同一方向流動。從圖中可得知，此電流是經由地線所保持負載的浮動靜電容量泄漏的電流所導致，然后經過地線回到噪聲源。（電流也可能是負載 和噪聲源之間的直接連接所導致而不經過地線）
圖3 共模和普通模式
(2) 線路很多時
即使電纜內有很多導線共用接地，使電路變得復雜，只要沒有繞路或者電流泄漏，整個電纜中電流總和就會為零，如圖4(a)所示。這種狀態也被稱為普通模式。如果如上所述有很多線路，每根線路的電流大小不一定要相同。
圖4(b)展示了共模應用于相同電路的電流。在這種情況下，導線電流的方向與參照地線的相應電壓的方向相同。這就意味著共模下線路電壓為零。因此，共模噪聲具備難以用示波器等一般測量設備來觀測的特性。
最終，每條線路上流過的電流為普通模式和共模的總電流。盡管我們能根據圖示清楚地描述，但通常很難從每條線路上流過的電流中區分這2種。因此，通過觀察方法來推測噪聲模式對于抑制噪聲是很重要的。
圖4 線路很多時
[page]普通模式和差模
(1) 普通模式也稱為差模
如圖3所示兩條線路上的普通模式有時也稱為差模。因為此處討論的情況也包括線路很多時的情況（如圖4），我們通常稱之為普通模式，只有在特指一對電線時（如差分信號），才稱其為差模。
(2) 普通模式也用于電路運行
除了噪聲傳導之外，普通模式和共模也用于電路運行和信號傳輸。通常，普通模式用作圖3中的信號源。
近年來，差分信號已經用于很多傳輸高頻信號的電路。正如其名，差分信號就是通過差模（普通模式）傳輸信號。但是，因為其它信號有時疊加到傳輸，共模也可能疊加使用。在這種情況下，電纜需要進行屏蔽，才能防止共模被發射并轉化為噪聲。
噪聲發射的影響
(1) 普通模式噪聲發射
當噪聲通過電纜傳導時，普通模式會導致非常少量的噪聲發射。這是因為前進電流和回流電流分別形成的磁場在觀察點處相互抵消，如圖5所示。為減少發射，電纜區域可采用雙絞線或屏蔽電纜。
電纜連接的印刷電路板有著更寬的導線間距，如圖5所示。在這里，前進電流和回流電流的抵消作用被減弱，線路像一根環形天線一樣。因此，盡管是普通模式，還是會從此區域發射出對應于環形區域的噪聲。
即使電纜尚未連接，如圖6所示運行電路的電流為普通模式，構成電路的線路形成一個環路天線，以同樣方式產生的噪聲發射。因此，為減少印刷電路板發 射的噪聲，需要設計圖案形狀以縮小電流環路面積。采用了多層線路板的接地層可減小電流環路的面積，因為電流可以直接在信號線下方回流。
圖5 普通模式電流的發射
圖6 電路電流形成環路天線
(2) 共模噪聲發射
與普通模式不同，當噪聲在共模下通過電纜傳導時，不會獲得抵消效應。如圖7所示，相應電流形成的電磁場在測量點處相互增強。在同樣的電流流動下，共模發射的無線電波遠遠強于普通模式（可能強1000倍左右）。因此，抑制共模電流對于減少噪聲發射非常重要。[page]
共模電流通常經由浮動靜電容量流動（如圖7所示），由于其阻抗高，在低頻范圍內電流不會很大。但是，在高頻范圍內，整個結構作為天線，共模產生的發射可能會很強，因為阻抗降低，電流很容易流動。
此外，普通模式電流是用于電路運行的電流模式，不可能通過濾波器完全消除。相反，共模通常是不必要的成分，因而可以根據需要通過濾波器消除。靜噪濾波器的結構將在后文講述。
圖7 共模噪聲的發射
靜噪濾波器的結構
(1) 通過電容器和電感器組成低通濾波器
一般而言，使用電容器(C)和電感器(L)在作為噪聲傳輸路徑的電纜的中間及連接點組成一個低通濾波器，以便阻止噪聲傳導。第6章將詳細介紹低通濾波器，因此本章只是解釋基本濾波器結構。
(2) 普通模式用濾波器
如圖8所示，可在線路中加入一個電容器并串聯阻抗元件（扼流線圈或鐵氧體磁珠等）組成普通模式用濾波器。
普通模式噪聲電流的方向與電路運行中電流的方向一致。因此，通過濾波器消除噪聲時，也會同時消除電路運行所需的一些成分。通過調整L和C的值，使低通濾波器的截止頻率不會消除電路運行所必須的成分。
此外，如圖8所示，如何使用阻抗元件隨著電路和電纜情況而變化。如果所有線路都像商用電源線一樣以接地為參照漂浮布置，電路會被視為平衡電路，兩條線路都會使用阻抗元件。為此，需要保持平衡，使阻抗相同。
如果一側接地，例如在數字電路中，電路會被視為不平衡電路，通常接地不會使用阻抗元件。但是，如果接地感應到噪聲（也就是說感應到共模噪聲），也可在接地側使用阻抗元件。
在此，“平衡”和“不平衡”指的是在傳導普通模式時如何參照地線保持電壓。如果電壓平衡地施加于兩條線路，則可以稱之為平衡; 如果電壓集中在一條線路上，則稱之為不平衡。不平衡電路的另外一條線路是接地線，幾乎不承受任何電壓。
圖8 普通模式用濾波器結構的示例
[page](3) 共模用濾波器
如圖9所示，將電容器連接到接地（稱為Y電容器），組成一個共模用濾波器。應當盡可能地使用共模扼流線圈作為阻抗元件。如果電纜中有很多導 線，可以將電纜繞在鐵氧體磁芯上或者將電纜夾在鐵氧體磁心中，形成一種共模扼流線圈，如圖10所示。共模扼流線圈將在下一章中詳細介紹。
產生共模噪聲時，噪聲可能會出現在與Y電容器相連的接地上。這時，Y電容器的效果減弱，因為Y電容器沒有連接到合適的接地。
在這種情況下，需要單獨構建與Y電容器相連的接地點。如圖所示，接地的線路用于構成噪聲源噪聲的返回路徑。
圖9 共模用濾波器的基本結構
圖10 使用鐵氧體磁芯的共模扼流線圈
[page](4) 適用于共模和普通模式的濾波器
商用電源線使用的靜噪濾波器通常針對共模和普通模式的混合噪聲提供措施，因而包括可以處理兩種模式的濾波器。圖11所示為典型的電路結構[參考文獻 4]。此例展示了作為阻抗元件的共模扼流線圈。但是，如果普通模式噪聲很強，阻抗可能會不足，因此在使用濾波器時，可以針對普通模式增加一個扼流線圈。
圖11 用于消除共模和普通模式的濾波器結構
濾波器靜噪的示例
(1) 通過商用電源線傳導的噪聲
盡管圖1給出了測量電子設備接口電纜所發射噪聲的示例，但是相對較低頻率范圍內的噪聲傳導卻成為電子設備電源線面臨的一個問題。在電源線中，共模和普通模式也是問題所在。
開關電源是發射噪聲到電源線的典型噪聲源之一。圖12給出了測量開關電源噪聲的示例。
交流電源線上的噪聲測量使用了一種探針，用于測量如圖12(a)所示電源線上的LISN（Line Impedance Stabilizing Network: 線路阻抗穩定網絡）噪聲，并測量通過電源線傳導的噪聲。此處，在去除內置于開關電源靜噪濾波器的情況下進行測試。測量的頻率范圍為150kHz到 30MHz，使用了頻譜分析儀測量峰值。
如圖12(b)的測量結果所示，在150kHz的整數倍處觀察到了強烈的噪聲; 150kHz是開關電源的開關頻率。因為圖表中的頻率軸為對數，在超過1MHz的高頻率范圍內噪聲間隔似乎更小。但是，仔細觀察就會發現，這個范圍內的間隔也是150kHz。
圖12 測量開關電源噪聲的示例
[page](2) 噪聲模式的分離
圖12中所示的測量結果表示了每條線路到接地的電壓。盡管測量結果顯示為Va和Vb，但在兩條線路上觀察到了幾乎相同電平的噪聲。這就是觀察共模和普通模式的混合。通常噪聲規定會設定一個電壓限值。
如果您使用特定的LISN（如支持CISPR 16的LISN），可以分別觀察到噪聲中的共模和普通模式。圖13顯示了從圖12的測量結果中分離出來的結果。在圖中，Sym（對稱）表示普通模式，而Asym（不對稱）表示共模。
圖13的測量結果表明，普通模式在開關電源的較低頻率范圍內更強，而共模在較高頻率范圍內更強。這種趨勢在開關電源中很常見。
圖13 分離共模和普通模式進行測量的示例
(3) 驗證靜噪濾波器的效果
圖14展示了驗證圖11所示靜噪濾波器的各個遠件對于圖13所示開關電源噪聲的效果如何的結果。
圖14(a)給出了連接圖11所示所有組件時的測量結果。相比圖13(b)中未使用這些元件時的測量結果，噪聲得到了很好地抑制。
圖14(b)到(d)顯示了逐個減去圖11所示靜噪濾波器元件時的結果。可以得知，X電容器主要對普通模式有效，Y電容器主要對共模有 效，而共模扼流線圈對兩種模式都有效。因此，可以確定，對于消除本示例中所示普通模式和共模的混合噪聲，這三個元件都是不可或缺的。
(4) 在完全消除噪聲后減去某元件可輕易看出其效果
一般而言，即使逐個連接每個元件，也很難成功地觀察到噪聲抑制的效果，因為微弱噪聲的任何改變都被強烈噪聲所掩蓋。因此，首先創建如圖 14(a)所示的噪聲抑制狀態，然后逐個減去各個元件，以便驗證每個元件的效果，從而輕易判定每個元件的作用和必要性。這種方法不僅適用于檢查傳 導的噪聲，而且也適用于針對發射的噪聲采取措施時驗證各元件的有效性。[page]
盡管可能出乎您的意料，但共模扼流線圈也在消除圖14(c)普通模式中發揮了作用。這是因為共模扼流線圈包括了針對普通模式的較小電感。電源使用共模扼流線圈時，較小的電感有時會以這種方式對普通模式產生影響。共模扼流線圈解釋中將介紹進一步的詳細信息。
圖14 觀察不同噪聲濾波器的效果
差分信號的共模噪聲
(1) 差分信號的傳輸
近年來，差分信號更加普遍地用于高速數字傳輸，如USB等。差分信號包含共模噪聲，但與之前所解釋的稍有差別。
差分信號向1對線路的每條線路施加一個反相信號（如圖15所示），接收器側通過線路電壓接收信號。如果這兩個電流相互對稱，電流成分只是普通模式，因此根據圖5所示的機制會導致較小的噪聲。
此外，如果從外側接收到噪聲感應，則不太可能受到影響。后文將會講到，這是因為從外側感應到電纜的噪聲為共模，不會導致接收器的線路之間存在任何電壓。[page]
圖15 差分信號的信號波形
(2) 差分信號中產生的共模噪聲
但是，如果兩條線路所傳輸信號有輕微的不平衡，則不平衡的成分會轉變為共模。如圖16所示，導致不平衡的因素包括:
(a)上升或下降的時間偏差
(b)上升和下降的速度偏差
(c)電壓或電流的大小偏差
(d)疊加的共模噪聲
您可能會說(a)到(c)是形成信號波形時出現的問題而不是噪聲問題（稱為信號完整性: SI）。了驅動器，接收器的IC原因以外，還可能是因為導線長度的差別，導線彎曲或者終端電阻器阻抗的差別導致信號波形產生不平衡。如上所述，觀察到因信 號波形不平衡導致的共模噪聲，其形式為噪聲頻譜中信號頻率的諧波。
(d)常出現于外部噪聲施加到驅動器，接收器的電源及接地時。盡管噪聲可能看似信號諧波，但卻會在與信號頻率完全不相關的頻率處產生。
如果這些成分通過電纜傳導，共模電流流過，則會成為噪聲發射的原因。
圖16 導致共模的因素
[page](3) 如何抑制差分信號中的噪聲
如圖17所示，共模扼流線圈用于阻止這樣的共模電流，并抑制圖16(a)到(c)中信號波形的不平衡。通常用在驅動器側。但是，如果噪聲在接收器側產生，也可用在接收器側。
此處使用的共模扼流線圈要選擇能輕微衰減差模的元件，使其不會給差分信號造成負面影響。
除了共模扼流線圈，也使用屏蔽電纜來抑制差分信號中的噪聲。信號對區域可使用兩根同軸電纜。
對于圖16(d)中的噪聲，信號對區域也可使用共模扼流線圈或屏蔽。但是，如圖17所示針對驅動器或接收器IC的電源使用EMI靜噪濾波器更加有效。
圖17 針對差分信號使用共模扼流線圈
噪聲接收和模式轉換
(1) 噪聲在被電纜接收時變成共模
前面講述了電纜發射噪聲的情況。與此相反，當電纜接收噪聲時，一般意味著電纜內的導線在共模下感應到了噪聲，如圖18。
如果是共模，線路電壓為零; 如果信號如圖所示被線路電壓接收，則電路可以正常運行。因此，即使電纜接收了噪聲，只要接收器通過電壓運行，就不會造成噪聲干擾。
圖18 噪聲感應到電纜
(2) 噪聲模式的轉換
但是，在現實世界中，當噪聲進入電纜時，會產生各種干擾。以前的一個例子是，無線電波進入電話線導致無線電廣播干擾電話聲音。為什么會出現這種干擾？
在很多情況下，共模在電纜到電路的連接點處轉換為普通模式。如果每條線路(Z1)的阻抗與地線(Z2)的阻抗存在差異（圖19(a)），就會造成接收器所接收共模電壓的差異，進而導致線路之間的噪聲電壓。在這種情況下，可以說共模被部分轉換為普通模式。[page]
(3) 不平衡終端阻抗導致模式轉換
Z1和Z2并不意味著這些元件實際存在，它們僅表示浮動靜電容量等形成的阻抗。因此，如果這些位置連接了終端電阻器，且其阻抗已經提前調整為一致，則可能會減少普通模式的轉換。
如圖19(b)所示，如果信號被一側已接地的電路接收，一半的噪聲將會轉換為普通模式。這就意味著噪聲可輕易進入不平衡的接收器電路，如數字電路。將電纜連接到這樣的電路時，就需要一個濾波電路；濾波電路將在后文中講述。
(4) IC內可能發生模式轉換
即使不發生到普通模式的轉換，如果共模很強大，也可在接收器IC內轉換為普通模式。IC消除共模的性能由指數CMRR（Common-Mode Rejection Ratio: 共模抑制比）來表示。
為防止轉換為普通模式，終端電阻器的值如圖所示相互匹配，以確保阻抗之間對接地不會造成任何偏差。此外，要為接收器選擇CMRR較高的IC。
圖19 共模轉換為普通模式
(5) 防止模式轉換
當平衡電纜，如電話線、LAN電纜及電源線等連接到電路時，噪聲模式可以如圖19(b)所示輕易轉換，因為很多電子電路都是不平衡電路。若要防止這種情況，有如下兩種方法:
(i)使用平衡-不平衡變壓器或者共模扼流線圈等提供平衡與不平衡間的轉換，以保持阻抗平衡。
(ii)通過靜噪濾波器消除產生的普通模式噪聲。
(i)是在電纜和電路間加入平衡-不平衡轉換電路的方法，如圖20(a)和(b)所示。這樣的電路用于連接通信電纜。
(ii)使用了電容器和阻抗元件（鐵氧體磁珠），如圖20(c)。盡管這只是權宜之計，但可以通過相對便宜的元件消除噪聲干擾。[page]
圖20 防止噪聲接收的連接示例
共模和普通模式的特征
(1) 普通模式噪聲的產生取決于電路運行
當電路運行時，電流在普通模式下流動。因此，電路運行自然而然地產生普通模式噪聲。例如，打開和關閉電源開關造成的浪涌，或者數字信號中包含的諧波成分，在產生后就會立即導致普通模式。
這可以理解為，當噪聲傳輸路徑中電流出現輕微不平衡時，成分以共模的形式出現。
(2) 屏蔽對共模噪聲可能無用
若要使屏蔽（特別是靜電屏蔽）發揮作用，就需要連接到接地。但是，如果產生共模噪聲，噪聲通常也會越過屏蔽的接地。因此，共模電流也會流經屏蔽并從作為天線的屏蔽發射噪聲。
前已述及，將屏蔽連接到傳導共模的接地無法屏蔽噪聲。若要使屏蔽發揮作用，首先就需要搭建可靠的接地。這就是非常難以抑制共模噪聲的原因。
(3) 如何屏蔽共模噪聲
若要搭建使屏蔽發揮作用的可靠接地，就要建立起屏蔽罩將噪聲源和浮動靜電容量圍住（圖21），然后屏蔽罩本身作為接地。（這被稱為“法拉第籠”）
這時，共模電流的回流路徑經過屏蔽而不是大地。在這種狀態下，可以認為共模噪聲已經被消除了。這是因為觀察整個電纜（包括屏蔽）時，總電流變為零。
盡管這種屏蔽結構是理想的，但一般會規模較大且價格不菲。
圖21 可以消除共模的屏蔽結構示例
(4) 共模連接到哪里？
關于圖3(b)中共模噪聲源或浮動靜電容量的連接點，不必在電路內布置一個特定的連接點。但是，因為接地通常是電路中最大部分且會成為電壓基準點，可以考慮將其連接至接地。
因此，在接地對大地有電壓的狀態下，可以說共模噪聲被感應了。
(5) 觀察共模和普通模式
通過使用能夠抓牢整個電纜的電流探針，可以確定共模噪聲是否在電纜中流動。普通模式電流不會造成電流探針有任何輸出。
相反，共模噪聲的線路電壓始終為零。因此，使用差動探針測量線路電壓時，探針通過排除共模測量普通模式電壓。
