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什么是共模电平

news 2025/11/2 8:51:49

共模电平，也称为共模电压，是指在差分信号 的两个信号端（正端D+和负端D-）上，相对于一个公共参考点（通常是地GND）所共有的平均电压。

核心公式：
V_cm = (V_D+ + V_D-) / 2

举个例子来理解：
假设一个差分信号：

那么，这个差分信号的共模电平大约是：
V_cm = (3.2V + 2.8V) / 2 = (3.4V + 2.6V) / 2 = 3.0V

而真正携带信息的差分电压 是：
V_diff = V_D+ - V_D-，也就是在 +0.4V 和 -0.4V 之间变化。

一个生动的比喻：
把差分信号的两根线想象成两个人抬着一个轿子。

接收器（坐在轿子里的人）只关心轿子摇晃的幅度和方向（差分信号），而不太关心轿子离地有多高（共模电平），只要这个高度不让他撞到天花板或掉到地上。

共模电平本身不携带信息，但它对电路的正常工作至关重要，其主要作用如下：

确定放大器/接收器的工作点
差分放大器内部的晶体管需要在一个合适的直流偏置点（共模电平）上工作，才能正确放大微小的差分信号。如果共模电平超出放大器允许的输入范围，晶体管就会进入饱和或截止区，导致信号失真甚至无法工作。
抑制共模噪声（差分信号的核心优势）
- 在实际环境中，两根紧挨着的导线会受到相同的噪声干扰，比如电源纹波或空间电磁干扰。这些噪声会同时、同相地叠加在D+和D-上。
- 由于 V_cm_noise = (V_D+_noise + V_D-_noise) / 2，噪声会体现在共模电平上。
- 接收器只关心差分电压 V_diff。任何同时添加到D+和D-上的噪声会在减法运算中被抵消。这就是共模抑制比（CMRR） 的概念，CMRR越高，抗干扰能力越强。
实现不同电源域系统的互联
当两个系统（如FPGA和ADC）使用不同的电源电压（如1.8V和3.3V）时，它们的信号地可能有差异。通过交流耦合（串联电容） 可以阻断共模电平，允许双方在各自的共模电压下工作，只传输差分信号。高速接口如PCIe、SATA、以太网都采用这种方式。

在电路设计中，对共模电平的考量是保证系统稳定性和可靠性的关键。

首先必须查阅所有器件（驱动器、接收器、放大器）的数据手册，找到以下关键参数：

设计目标：驱动器的输出共模电压必须在接收器的输入共模电压范围之内。

情况一：共地系统
- 如果驱动器和接收器共享同一个电源和地，它们的共模电平通常是兼容的。但仍需验证V_OCM是否在V_ICMR内。
- 示例：一个3.3V LVDS驱动器的V_OCM典型值为1.2V，而接收器的V_ICMR通常为0V至2.4V，兼容性良好。
情况二：非共地或不同电源系统
- 当两个系统存在地电位差或使用不同电源时，它们的共模电平会不匹配。地电位差会直接叠加在信号的实际共模电平上。
- 解决方案：
  - 交流耦合（首选）：在差分通道上串联电容（如100nF）。电容会阻断直流路径，从而隔离共模电平。这是高速串行链路的标准做法。
  - 使用隔离器件：如光耦或数字隔离器，实现完全的电气隔离。
  - 共模扼流圈（CMC）：抑制高频共模噪声，但对直流或低频共模偏移无效。

仿真：使用SI/PI（信号完整性/电源完整性）工具对差分链路进行仿真，观察共模电平在传输过程中的变化。
测试：使用示波器测量。用两个探头分别测量D+和D-对地的电压，然后用数学函数 (Ch1 + Ch2) / 2 得到共模电平波形，验证其是否始终在接收器的允许范围内。

方面	核心要点
定义	差分信号对(D+, D-)的平均电压，是信号的“直流基准”。
作用	1. 设定工作点：确保放大器/接收器正常工作。 2. 抗噪声基础：共模噪声可被差分接收器抑制。 3. 互联桥梁：通过处理共模电平实现不同系统互联。
设计考量	1. 合规性：确保 `V_OCM` 在 `V_ICMR` 内。 2. 隔离：非共地系统使用交流耦合。 3. 布局：紧耦合差分对和完整地平面。 4. 验证：通过仿真和测试确认共模电平稳定。