一、什么是共模电压

1. 基本定义

在电路中，共模电压是指两个输入端相对于参考地（通常是电路地）的平均电压。

用数学公式表示：

$$V_{CM} = \frac{V_{in+} + V_{in-}}{2}$$

其中：

• $V_{in+}$：差分放大器的正输入端电压

• $V_{in-}$：差分放大器的负输入端电压

由此可见，共模电压并不反映输入信号的差异，而是反映两个输入端共同的电位偏移量。

2. 与差模电压的区别

• 差模电压（Differential-Mode Voltage, VDM）：两个输入端电压的差值

  $$V_{DM} = V_{in+} - V_{in-}$$

• 共模电压（VCM）：两个输入端电压的平均值

差模信号承载着有用信息，而共模电压往往是系统噪声或干扰的体现。

二、共模电压产生的原因

在实际电路中，共模电压通常来自以下几个方面：

1. 电磁干扰（EMI）耦合
   外部电磁场通过电容、电感耦合到信号线，使两个输入端同时受到干扰。

2. 电源地电位差
   在多电源、多模块系统中，不同部分的地电位可能不一致，从而形成共模电压。

3. 信号传输线的不对称
   在差分信号传输过程中，如果两条线阻抗不完全一致，会引入共模电压。

4. 电路内部器件不匹配
   差分放大器输入电阻或电流源不完全对称，也会导致共模分量出现。

三、共模电压的影响

共模电压的存在会给电路带来以下问题：

1. 降低信噪比
   共模干扰可能叠加到有效信号上，影响信号完整性。

2. 导致放大器失真或饱和
   差分放大器通常有共模输入范围限制，如果共模电压超出范围，放大器将无法正常工作。

3. 产生误差电流
   在测量电路中，共模电压可能通过寄生电容或泄漏路径产生误差电流，影响精度。

4. 电磁兼容性问题
   过大的共模电压可能在电缆中辐射电磁干扰，影响其他设备。

四、共模电压的关键性能指标

1. 共模抑制比（CMRR）

共模抑制比（Common-Mode Rejection Ratio, CMRR） 是衡量放大器区分差模信号与共模信号能力的指标。

定义公式：

$$CMRR = 20 \cdot \log_{10}\left(\frac{A_{DM}}{A_{CM}}\right)$$

其中 $A_{DM}$ 为差模增益，$A_{CM}$ 为共模增益。

CMRR 越高，放大器对共模干扰的抑制能力越强。

2. 共模输入范围（VCMR）

放大器能够正常工作的共模电压范围，超出该范围会导致失真或饱和。

五、共模电压的抑制方法

在电路设计中，工程师常采用以下方法降低或抑制共模电压：

1. 差分信号传输
   通过差分对称布线，使共模干扰在两个信号线上相互抵消。

2. 共模扼流圈（Common-Mode Choke）
   在信号线上串联共模电感，对共模干扰呈现高阻抗，从而抑制噪声。

3. 电源与地的优化设计
   采用单点接地、隔离电源等方法，减少地电位差。

4. 电路屏蔽与隔离
   使用屏蔽层、电光隔离器件，避免外部干扰引入共模电压。

5. 选择高 CMRR 的运算放大器
   在信号调理电路中，选择高共模抑制比的放大器，提高抗干扰能力。

六、共模电压的典型应用场景

1. 新能源汽车 BMS（电池管理系统）

在电池电流检测中，传感电阻两端可能存在高共模电压，需要高 CMRR 放大器。

2. 工业自动化系统

传感器信号传输过程中易受共模干扰影响，必须采用差分传输与隔离技术。

3. 通信与数据传输

在高速差分接口（如 USB、Ethernet、CAN 总线）中，共模电压控制对于信号完整性至关重要。

4. 医疗电子设备

医疗传感器需要采集微弱生物信号（如 ECG、EEG），共模电压干扰必须被有效抑制。

七、共模电压与差模电压的对比总结

八、未来发展趋势

随着高速信号、低功耗和新能源应用的发展，对共模电压控制提出了更高要求：

1. 更高的 CMRR 放大器
   满足高速 ADC 和高精度测量电路需求。

2. 车规级共模抑制器件
   满足新能源汽车电池与电机系统的抗干扰需求。

3. 智能化共模滤波模块
   集成电路厂商正开发智能共模抑制芯片，简化系统设计。

九、结论

共模电压是电路设计与信号传输中必须重视的重要因素。它来源于电磁干扰、地电位差和电路非对称性，可能引发信号失真、精度下降和 EMC 问题。通过差分传输、共模扼流圈、优化接地以及高 CMRR 器件等方法，可以有效抑制共模电压的影响。

在新能源、通信、医疗与工业控制等领域，正确理解和控制共模电压，将直接关系到系统的稳定性与可靠性。