陳明森：網(wǎng)絡(luò)變壓器共模和差模信號及其噪音抑制
陳明森
摘要：網(wǎng)絡(luò)變壓器對傳輸信號中的共模和差模信號及其噪音抑制
關(guān)鍵詞：共模信號差模信號噪音抑制
了解共模和差模信號之間的差別，對正確理解脈沖磁路和工作模塊之間的關(guān)系是至關(guān)重要的。變壓器、共模扼流圈和自耦變壓器的端接法，對在局域網(wǎng)(LAN)和通信接口電路中減小共模干擾起關(guān)鍵作用。共模噪音在用無屏蔽對絞電纜線的通信系統(tǒng)中，是引起射頻干擾的主要因素，所以了解共模噪音將有利于更好地了解我們關(guān)心的磁性界面的電磁兼容論點(diǎn)。本文的主要目的是闡述差模和共模信號的關(guān)鍵特性和共模扼流圈、自耦變壓器端接法主要用途，以及為什么共模信號在無屏蔽對絞電纜線上會引起噪音發(fā)射。在介紹這些信號特點(diǎn)的同時(shí)，還介紹了抑制一般噪音常用的方法。
網(wǎng)絡(luò)變壓器功能
一、電氣隔離
任何CMOS制程的芯片工作的時(shí)候產(chǎn)生的信號電平總是大于0V的(取決于芯片的制程和設(shè)計(jì)需求)，PHY輸出信號送到100米甚至更長的地方會有很大的直流分量的損失。而且如果外部網(wǎng)線直接和芯片相連的話，電磁感應(yīng)(打雷)和靜電，很容易造成芯片的損壞。
再就是設(shè)備接地方法不同，電網(wǎng)環(huán)境不同會導(dǎo)致雙方的0V電平不一致，這樣信號從A傳到B，由于A設(shè)備的0V電平和B點(diǎn)的0V電平不一樣，這樣可能會導(dǎo)致很大的電流從電勢高的設(shè)備流向電勢低的設(shè)備。
網(wǎng)絡(luò)變壓器把PHY送出來的差分信號用差模耦合的線圈耦合濾波以增強(qiáng)信號，并且通過電磁場的轉(zhuǎn)換耦合到連接網(wǎng)線的另外一端。這樣不但使網(wǎng)線和PHY之間沒有物理上的連接而換傳遞了信號，隔斷了信號中的直流分量，還可以在不同0V電平的設(shè)備中傳送數(shù)據(jù)。
網(wǎng)絡(luò)變壓器本身就是設(shè)計(jì)為耐2KV~3KV的電壓的。也起到了防雷保護(hù)作用。有些朋友的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在雷雨天氣時(shí)容易被燒壞，大都是PCB設(shè)計(jì)不合理造成的，而且大都燒毀了設(shè)備的接口，很少有芯片被燒毀的，就是變壓器起到了保護(hù)作用。
隔離變壓器可滿足IEEE802.3的絕緣要求，但不能抑制EMI。
二、共模抑制
在雙絞線中的每一根導(dǎo)線是以雙螺旋形結(jié)構(gòu)相互纏繞著。流過每根導(dǎo)線的電流所產(chǎn)生的磁場受螺旋形的制約。流過雙絞線中每一根導(dǎo)線的電流方向，決定每對導(dǎo)線發(fā)射噪音的程度。在每對導(dǎo)線上流過差模和共模電流所引起的發(fā)射程度是不同的，差模電流引起的噪音發(fā)射是較小的，所以噪音主要是由共模電流決定。
⒈ 雙絞線中的差模信號
對差模信號而言，它在每一根導(dǎo)線上的電流是以相反方向在一對導(dǎo)線上傳送。如果這一對導(dǎo)線是均勻的纏繞，這些相反的電流就會產(chǎn)生大小相等，反向極化的磁場，使它的輸出互相抵消。
⒉ 雙絞線中的共模信號
共模電流在兩根導(dǎo)線上以相同方向流動，并經(jīng)過寄生電容Cp到地返回。在這種情況下，電流產(chǎn)生大小相等極性相同的磁場，它們的輸出不能相互抵消。共模電流在對絞線的表面產(chǎn)生一個(gè)電磁場，它的作用正如天線一樣。
三、共模、差模噪音及其EMC
電纜上噪音有從電源電纜和信號電纜上產(chǎn)生的輻射噪音和傳導(dǎo)噪音兩大類。這兩大類中又分為共模噪音和差模噪音兩種。差模傳導(dǎo)噪音是電子設(shè)備內(nèi)部噪音電壓產(chǎn)生的與信號電流或電源電流相同路徑的噪音電流，如圖4所示。減小這種噪音的方法是在信號線和電源線上串聯(lián)差模扼流圈、并聯(lián)電容或用電容和電感組成低通濾波器，來減小高頻的噪音。
這種噪音產(chǎn)生的電場強(qiáng)度與電纜到觀測點(diǎn)的距離成反比，與頻率的平方成正比，與電流和電流環(huán)路的面積成正比。因此，減小這種輻射的方法是在信號輸入端加LC低通濾波器阻止噪音電流流進(jìn)電纜;使用屏蔽電纜或扁平電纜，在相鄰的導(dǎo)線中傳輸回流電流和信號電流，使環(huán)路面積減小。
共模傳導(dǎo)噪音是在設(shè)備內(nèi)噪音電壓的驅(qū)動下，經(jīng)過大地與設(shè)備之間的寄生電容，在大地與電纜之間流動的噪音電流產(chǎn)生的。
減小共模傳導(dǎo)噪音的方法是在信號線或電源線中串聯(lián)共模扼流圈、在地與導(dǎo)線之間并聯(lián)電容器、組成LC濾波器進(jìn)行濾波，濾去共模傳導(dǎo)噪聲。
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