差模噪声和共模噪声的计算
emc-3---噪声的传输和放大
引言：噪声是一个不容忽视的重要问题，无论在哪个领域，都需要采取降噪措施来解决噪声，电子设备的精度和分辨率受制于信噪比。此外，噪声辐射过大的产品可能会对其他设备造成不利影响，在某些情况下甚至可能还会导致严重事故。因此噪声在世界各地均受到有关法律法规的约束，在日本有《电气用品安全法》，在美国有fcc，在欧盟有英国等不同国家和地区的标准，除此之外，还有cispr、iec和iso等国际标准，不符合这些安全标准的产品不能在相应的国家和地区出售，也不能进出口。
1.差模/共模噪声
emc-1（传送门：emc-1：噪声的本质和信号的频谱）中将电磁干扰emi分为“传导噪声”和“辐射噪声”两种。其中，传导噪声根据传导方式可分为“差模噪声”和“共模噪声”两种。这里将差模噪声和共模噪声不视作噪声类型，而是定义为传导噪声的流转方式，如图3-1是差模噪声和共模噪声的噪声电流流向。
图3-1：左--->差模噪声传导路径；右--->共模噪声传导路径
差模噪声：噪声源于电源线串联进入，噪声电流与电源电流在同一路径流通，方向相同，在电源线之间产生噪声电压，属于电源线之间的差模噪声，差模干扰侵入往返两条信号线。由于往返方向相反而被称为“差模（differential mode）”，本质是两根线之间的信号差值。差模信号的特点是幅度相等，相位相反，所有的差模电流全流过负载。
共模噪声：是经杂散电容等泄漏的噪声电流经由大地返回电源线的噪声，因电源的＋端和－端流过的噪声电流方向相同而被称为“共模（common mode）”，在电源线间不产生噪声电压，而是电源线和基准gnd之间产生噪声电压，所以共模噪声又称两根线分别对地的噪声，共模信号的干扰信号侵入线路和接地之间。共模信号的特点是幅度相等，相位相同，噪声电流在电源正极侧和负极侧同向流过。
如前所述，这些噪声就是传导噪声，由于电源线中流动着噪声电流，因此会发出噪声。
图3-2：差模噪声辐射三维视角
由差模噪声引起的辐射的电场强度ed可通过图3-2中的公式来表示。id为差模中的噪声电流，r为到观测点的距离，f为噪声频率。差模噪声会产生噪声电流环，因此水平环路面积s是非常重要的因素。如图和公式所示，假设其他因素固定，环路面积越大则电场强度越高。
图3-3：共模噪声辐射三维视角
由共模噪声引起的辐射的电场强度ec可通过图2-3中的公式来表示。ic为差模中的噪声电流，r为到观测点的距离，f为噪声频率。共模噪声同样会产生噪声电流环，因此垂直回路面积s（高度l很小可以忽略，那么就是线长l占主导）是非常重要的因素。如图和公式所示，假设其他因素固定，走线长度越长则电场强度越高。这里注意两个概念区别，即环路面积和回路面积。
2.差模/共模噪声计算
为了更好地认识每种噪声引发的辐射特点，接下来代入实际数值来计算一下电场强度，电场强度的观测点用蓝色圆点来表示，其中探测距离1m，线路长20cm，宽1cm。
图3-4：计算参数
差模噪声：
设100mhz频率的差模噪声电流1ua，流过20cm²环路面积，距离1m处（90°）的电场强度值为：
共模噪声：
设100mhz频率的共模噪声电流1ua，流过20cm的线缆，距离1m处（90°）的电场强度值为：
即使噪声电流值相同，受共模噪声的影响也很大，上面计算结果共模噪声是差模噪声的96倍，如果线束采用绞合线则面积s减小，差模噪声减少，面积s对共模噪声无影响。
噪声电流值相同的情况下，共模噪声辐射要大得多，如果这些传导噪声和辐射噪声即emi如果超出了容许范围，就需要采取降噪对策。特别是在考虑辐射噪声对策时，针对共模噪声的对策尤为重要。原则性的降噪对策是差模噪声要减少环路面积s（比如线缆采用绞合线），共模噪声要极力缩短线缆长度。不过一定会遇到受配置和材料等因素限制的情况，此时就需要探讨增加滤波器的方法。
＜小结＞
1：电磁干扰emi可分为“传导噪声”和“辐射噪声”两种。
2：传导噪声可分为“差模（常模）噪声”和“共模噪声”两种。
3：关于辐射噪声，差模噪声的线缆环路面积、共模噪声的线长是非常重要的因素。
4：即使条件相同，共模噪声带来的辐射远远大于差模噪声。
3.串扰
串扰是由于线路之间的耦合引发的信号和噪声等的传播，两根线（包括pcb的布线）独立的情况下，相互间应该不会有电气信号和噪声等的影响，但是两根线平行的情况下，会因存在于线间的杂散（寄生）电容和电感而耦合引发干扰，所以串扰也可以理解为感应噪声。图3-5和图3-6为每种耦合的示意图以及最简化的等效电路。r为电阻，c为电容，m为互感系数，vs为噪声源电压，is为噪声源电流，vs=v-signal为信号源（噪声源），如下给出了从噪声源的line1到附近的line2所产生的噪声电压vn。
图3-5：容性串扰
通过line间的杂散电容导致电容耦合，line1产生的噪声通过电容耦合在gnd间产生噪声电压vn：
图3-6：感性串扰
通过line间互感的电感耦合，line端产生的噪声通过电感耦合在gnd之间产生的vn：
在高频、line间的距离足够近、接收端高阻抗的条件下，串扰的效果将增加。
＜小结＞
1：平行的布线间会产生串扰。
2：串扰的因素有杂散（寄生）电容引发的电容耦合和互感引发的电感（电磁）耦合。
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1.差模/共模噪声
emc-1（传送门：emc-1：噪声的本质和信号的频谱）中将电磁干扰emi分为“传导噪声”和“辐射噪声”两种。其中，传导噪声根据传导方式可分为“差模噪声”和“共模噪声”两种。这里将差模噪声和共模噪声不视作噪声类型，而是定义为传导噪声的流转方式，如图3-1是差模噪声和共模噪声的噪声电流流向。
图3-1：左--->差模噪声传导路径；右--->共模噪声传导路径
差模噪声：噪声源于电源线串联进入，噪声电流与电源电流在同一路径流通，方向相同，在电源线之间产生噪声电压，属于电源线之间的差模噪声，差模干扰侵入往返两条信号线。由于往返方向相反而被称为“差模（differential mode）”，本质是两根线之间的信号差值。差模信号的特点是幅度相等，相位相反，所有的差模电流全流过负载。
共模噪声：是经杂散电容等泄漏的噪声电流经由大地返回电源线的噪声，因电源的＋端和－端流过的噪声电流方向相同而被称为“共模（common mode）”，在电源线间不产生噪声电压，而是电源线和基准gnd之间产生噪声电压，所以共模噪声又称两根线分别对地的噪声，共模信号的干扰信号侵入线路和接地之间。共模信号的特点是幅度相等，相位相同，噪声电流在电源正极侧和负极侧同向流过。
如前所述，这些噪声就是传导噪声，由于电源线中流动着噪声电流，因此会发出噪声。
图3-2：差模噪声辐射三维视角
由差模噪声引起的辐射的电场强度ed可通过图3-2中的公式来表示。id为差模中的噪声电流，r为到观测点的距离，f为噪声频率。差模噪声会产生噪声电流环，因此水平环路面积s是非常重要的因素。如图和公式所示，假设其他因素固定，环路面积越大则电场强度越高。
图3-3：共模噪声辐射三维视角
由共模噪声引起的辐射的电场强度ec可通过图2-3中的公式来表示。ic为差模中的噪声电流，r为到观测点的距离，f为噪声频率。共模噪声同样会产生噪声电流环，因此垂直回路面积s（高度l很小可以忽略，那么就是线长l占主导）是非常重要的因素。如图和公式所示，假设其他因素固定，走线长度越长则电场强度越高。这里注意两个概念区别，即环路面积和回路面积。
2.差模/共模噪声计算
为了更好地认识每种噪声引发的辐射特点，接下来代入实际数值来计算一下电场强度，电场强度的观测点用蓝色圆点来表示，其中探测距离1m，线路长20cm，宽1cm。
图3-4：计算参数
差模噪声：
设100mhz频率的差模噪声电流1ua，流过20cm²环路面积，距离1m处（90°）的电场强度值为：
共模噪声：
设100mhz频率的共模噪声电流1ua，流过20cm的线缆，距离1m处（90°）的电场强度值为：
即使噪声电流值相同，受共模噪声的影响也很大，上面计算结果共模噪声是差模噪声的96倍，如果线束采用绞合线则面积s减小，差模噪声减少，面积s对共模噪声无影响。
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2：传导噪声可分为“差模（常模）噪声”和“共模噪声”两种。
3：关于辐射噪声，差模噪声的线缆环路面积、共模噪声的线长是非常重要的因素。
4：即使条件相同，共模噪声带来的辐射远远大于差模噪声。
3.串扰
串扰是由于线路之间的耦合引发的信号和噪声等的传播，两根线（包括pcb的布线）独立的情况下，相互间应该不会有电气信号和噪声等的影响，但是两根线平行的情况下，会因存在于线间的杂散（寄生）电容和电感而耦合引发干扰，所以串扰也可以理解为感应噪声。图3-5和图3-6为每种耦合的示意图以及最简化的等效电路。r为电阻，c为电容，m为互感系数，vs为噪声源电压，is为噪声源电流，vs=v-signal为信号源（噪声源），如下给出了从噪声源的line1到附近的line2所产生的噪声电压vn。
图3-5：容性串扰
通过line间的杂散电容导致电容耦合，line1产生的噪声通过电容耦合在gnd间产生噪声电压vn：
图3-6：感性串扰
通过line间互感的电感耦合，line端产生的噪声通过电感耦合在gnd之间产生的vn：
在高频、line间的距离足够近、接收端高阻抗的条件下，串扰的效果将增加。
＜小结＞
1：平行的布线间会产生串扰。
2：串扰的因素有杂散（寄生）电容引发的电容耦合和互感引发的电感（电磁）耦合。
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