共模濾波器是如何區(qū)分信號和噪聲的？
發(fā)布日期:2024-11-15
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傳導(dǎo)噪聲的傳導(dǎo)方式（模式）分為差模和共模兩種。讓差模傳導(dǎo)的信號電流通過，而選擇性地去除共模噪聲，這便是共模濾波器的作用。在USB、IEEE1394、HDMI、DisplayPort等高速數(shù)字接口中，這種噪聲對策部件都發(fā)揮著重要作用。
數(shù)字設(shè)備和連接線等都是輻射噪聲的產(chǎn)生源。電子設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的輻射噪聲如果未經(jīng)處理，就會變成共模的傳導(dǎo)噪聲，從而對遠(yuǎn)距離的其它設(shè)備也造成負(fù)面影響。
首先要弄清傳導(dǎo)噪聲的類型
周圍的電子設(shè)備或多或少地都會成為輻射噪聲的產(chǎn)生源?？亢唵蔚姆椒ň涂梢源_認(rèn)這點。比如把便攜收音機放到運行中的電腦或電視旁邊，就會出現(xiàn)“吱吱”、“噼”的收信障礙?？梢园l(fā)現(xiàn)，即使是電池驅(qū)動的數(shù)碼相機，也會變成輻射噪聲的產(chǎn)生源。除了輻射噪聲，還有通過電源線或信號線傳導(dǎo)的傳導(dǎo)噪聲。不過，傳導(dǎo)噪聲會通過具有天線性質(zhì)的線纜變?yōu)檩椛湓肼暎催^來輻射噪聲也會變成傳導(dǎo)噪聲。由于噪聲是如此地自如變換、神出鬼沒，因此電子設(shè)備不僅需要防止自身成為噪聲源，還要防止外來噪聲導(dǎo)致的故障，也就是需要具有免疫性（抗性）對策。這就是EMC的基本思路。
一般來說，傳導(dǎo)噪聲可由電容器的“旁路”流入地面，或由電阻、鐵氧體磁芯、貼片磁珠等“吸收”，作為熱量發(fā)散。傳導(dǎo)噪聲還有一種重要的應(yīng)對方式。這便是利用電感器（線圈）的性質(zhì)，將噪聲電流“反射”的方式。電感器能順利通行直流電，但對交流電的阻抗（交流的電阻）高，能妨礙其流動。不過，傳導(dǎo)噪聲有差模和共模兩種傳導(dǎo)方式（模式），需要根據(jù)其差別來采取對策。不弄清噪聲類型的話，即使在電路中添加噪聲對策元件，也可能反而會增大噪聲。
從信號源出發(fā)，通過信號線到達(dá)電路，再通過SG（Signal Ground）電路板回到電源。由于去路和回路的電流方向相反，因此稱為差模。大部分信號電流都是差模。
共模噪聲在信號線和SG（Signal Ground）電路板的流向相同，能通過與附近信號線形成浮游容量或磁結(jié)合等方式入侵。
愈發(fā)重要的共模噪聲對策
差模是以信號線為去路、信號接地線（SG）為回路的傳導(dǎo)模式。電路中的信號電流大部分是差模。
另一方面，共模則是去路和來路方向相同的傳導(dǎo)模式。共模噪聲因?qū)Ь€的阻抗不均衡而產(chǎn)生，在高頻環(huán)境下會愈發(fā)顯著。此外，共模噪聲還會傳導(dǎo)到地板和地面，形成巨大的循環(huán)后再返回，讓遠(yuǎn)距離的電子設(shè)備也產(chǎn)生各種噪聲故障。因此，數(shù)字設(shè)備不僅需要差模噪聲對策，對共模噪聲對策也很重視。
共模濾波器所要求的特性：通行信號電流（差模），去除共模噪聲。USB和IEEE1394等接口的差動傳導(dǎo)信號不會對信號波形產(chǎn)生負(fù)面影響。
例如，USB、IEEE1394、HDMI、DisplayPort等高速接口，會將相位差180°的信號通過2根信號線（雙絞線）來傳導(dǎo)。這稱為差動傳導(dǎo)方式，能以極高速度通行數(shù)據(jù)。差動傳導(dǎo)方式的特點是輻射噪聲少，也不容易受到外部噪聲的影響。不過，現(xiàn)實中的2根信號線的通信特性不均衡，因此類原因，共模噪聲電流會產(chǎn)生，讓線纜化作天線，將噪聲輻射出去。因此，USB、IEEE1394、HDMI、DisplayPort等高速接口常采用共模濾波器，而其中就利用了扼流線圈的原理。
針對急劇變化的交流電，扼流線圈會在相反方向產(chǎn)生電動力（誘導(dǎo)電流）（自我誘導(dǎo)作用），呈現(xiàn)出阻礙效果。
利用傳導(dǎo)模式差異來巧妙分離噪聲和信號
共模濾波器的構(gòu)造是2個合體的扼流線圈。扼流線圈就是一個核心上纏有卷線的電子元件。卷線中有電流時，會產(chǎn)生磁通量，對急劇變化的電流造成阻礙效果（電感器的自我誘導(dǎo)作用）。所謂“扼流”（Choke）本來就是英文中扼制流動的意思。因為具有妨礙交流電流動的性質(zhì)，所以稱為扼流線圈。
不過，差模和共模信號電流都屬于高頻交流電。那為什么共模濾波器會放行差模信號電流，而只去除共模噪聲電流呢？
這里的重點在于核心纏繞的2根導(dǎo)線的方向。共模濾波器的2根導(dǎo)線是以“相同方向”纏繞的，因此會發(fā)揮有趣的效果。
這樣來看，信號電流將2根導(dǎo)線作為去路和來路，屬于差模，在核心產(chǎn)生的磁通量是相反的，因此會抵消，允許信號電流順暢流動。另一方面，共模噪聲電流的方向相同，因此核心處的磁通量會合成，相互強化。結(jié)果是，妨礙作用變強，共模噪聲電流被阻止。這便是共模濾波器的基本原理。小元件卻有大效果。在高速、大容量的網(wǎng)絡(luò)時代，共模濾波器正成為愈發(fā)重要的噪聲對策元件。
在環(huán)形核心上纏繞卷線是困難的事情。因此為了實現(xiàn)卷線的自動化和小型化，目前主流的做法是將以下樣式的鐵氧體鼓狀核心與板狀核心組合，構(gòu)成共模濾波器。這是只有數(shù)毫米尺寸的小型電子元件。
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