Serie EMV-Praxis, Teil 1 Differenzielle Signalübertragung ist aus EMV-technischer Sicht eine gute Wahl

Die differenzielle Übertragung digitaler Signale ist unter EMV-Gesichtspunkten eine sehr gute Wahl. Allerdings ist es für den erfolgreichen Einsatz äußerst wichtig, ihre realen Eigenschaften zu kennen, um Fehler zu vermeiden.

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Einer der wesentlichen Unterschiede zwischen einem Single-Ended-Treiber und einem differenziellen Treiber ist der Faktor zwei. Zunächst einmal besteht nämlich ein differenzieller Übertragungsweg aus zwei normalen Single-Ended-Leitungen. Die Tatsache, dass dieser Sachverhalt nicht überall ausreichend klar hervorgehoben wird, hat in der Vergangenheit leider zu einiger Verwirrung geführt.

Anhand eines Hersteller-Datenblattes (Bild 1) lässt sich leicht nachvollziehen, weshalb: Wie der Darstellung zu entnehmen ist, handelt es sich bei dem LVDS-Treiber im Prinzip um die Kombination zweier normaler CMOS-Treiber. Das zugeführte (single-ended) Eingangssignal (A+ / A-) wird dabei einem der beiden Treiber in umgekehrter Polarität zugeführt, sodass auf den beiden Ausgängen des LVDS-Treibers stets komplementäre Pegel vorzufinden sind; diese Betriebsart eines Leitungspaares wird als Odd-Mode bezeichnet. So könnte beispielsweise bei LVDS der eine Ausgang von 1,075 V auf 1,425 V hochlaufen, während der andere gleichzeitig von 1,425 V auf 1,075 V absinkt.

Ebenso trivial wie erwähnenswert ist an dieser Stelle, dass es sich bei Spannungen um Potenzialdifferenzen handelt, folglich also pro Spannung zwei Messpunkte vorhanden sein müssen. Und diese sind selbstverständlich {D+ und GND} bzw. {D- und GND}, also die beiden Treiberausgänge – jeweils auf GND bezogen. Das bedeutet aber, dass es sich bei einem differenziellen Übertragungskanal prinzipiell nur um zwei Single-Ended-Kanäle handelt, die möglicherweise über ein nicht vernachlässigbares Maß an Kopplung verfügen.

Differenzielles Paar = 2 x Single-Ended-Leitung

Leider ist diese Darstellung sehr irreführend. So wurden die beiden 50-Ω-SE-Leitungen mit nur jeweils einem Strich dargestellt, obgleich jede Leitung aus einem Hin- (Signal-) und einem Rück-(GND-)Leiter besteht. Würde man die Zeichnung um die beiden fehlenden (GND-)Verbindungen ergänzen, drängte sich sofort die Frage auf, ob diese Verbindungen denn wirklich stromlos sind? Oder aus welchem anderen Grund sie in dieser Darstellung vergessen wurden…

Zum besseren Verständnis der Vorgänge sind in Bild 2 die beiden SE-Leitungen eines differenziellen Paares dargestellt. Jede der beiden Leitungen ist an ihrem Ende mit einem Widerstand terminiert, wobei der Widerstandswert genau dem Wellenwiderstand Z0 der einzelnen SE-Leitung entspricht. Zur Vereinfachung wird zunächst von einer vernachlässigbaren Kopplung ausgegangen [exakte Diskussion der Impedanzen ].

Zu dem dargestellten Zeitpunkt breiten sich die komplementären Pulsvorflanken auf den beiden Leitungen aus. Dabei handelt es sich jeweils um die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle innerhalb einer Leitung, bestehend aus Signal- und GND-Leiter sowie dem Dielektrikum. Folglich fließt der zugehörige Signalstrom im Signalleiter in Richtung Terminierung und im GND-Leiter zurück in Richtung Quelle –oder umgekehrt.

Spätestens hier wird klar, dass die Darstellung in Bild 1 die realen Vorgänge nicht vollständig beschreiben kann. Und es ergibt sich bereits eine erste wichtige Erkenntnis: Die Rückleiter der beiden SE-Leitungen, also üblicherweise GND, sind selbstverständlich auch bei differenziellen Paaren zwingend erforderlich! [vgl. **]

Vereinfachte (differenzielle) Terminierung

Vermutlich deshalb wird diese Verbindung bei gängigen differenziellen Übertragungsverfahren schlicht weggelassen. Dann lassen sich auch die beiden Widerstände mit R=Z0 zu einem einzelnen (differenziellen) Widerstand mit R=2xZ0 zusammenfassen, ohne dass sich an der receiverseitig ausgewerteten Spannung (VDIFF=VD+-VD-) etwas ändert. Dieser einzelne Widerstand ist beispielsweise in Bild 1 als RTERM bezeichnet. Ein weiterer Vorteil dieser Art von Terminierung liegt sicher in der geringeren Leistungsaufnahme.

Zur Veranschaulichung wurde der Abschluss mit einer differenziellen Terminierung mithilfe eines 3D-Field-Solvers (HFSS V.13 [ ]) untersucht; in Bild 4 ist als Ergebnis einer Transienten-Simulation (Zeitbereich) die Intensität des magnetischen Feldvektors an der Oberfläche der GND-Plane (und damit der Stromfluss) zu sehen: Das Ergebnis entspricht exakt dem in Bild 3 eingezeichneten Stromfluss, sofern man auch hier (gedanklich) die ohnehin stromlose GND-Verbindung der Terminierungen entfernt.

Nachdem nun die prinzipielle Funktion eines differenziellen Paares klar ist, soll als nächstes geklärt werden, weshalb diese überhaupt als besonders EMV-günstig eingestuft werden.

Das Kern-EMV-Thema bei digitalen Übertragungswegen ist in der Regel die Emission, wobei zwei unterschiedliche Anregungstypen zu unterscheiden sind:

1. Gegentaktstörungen (Differential-Mode)

2. Gleichtaktstörungen (Common-Mode)

Ersterer lässt sich leicht an einer Single-Ended-Leitung erklären: Hin- und Rückleiter spannen eine Fläche auf, die vom Signalstrom umschlossen wird- also eine ungewollte Rahmenantenne, die von der Signalquelle (z.B. dem Treiber) gespeist wird.

Der zweite Mechanismus ist etwas subtiler und bereitet deshalb immer wieder Verständnisprobleme: Häufig ist die Ursache in diesem Fall eine kapazitive oder induktive Kopplung auf einen oder mehrere Leiter. Mithilfe des eingeprägten Störstroms können diese Leiter dann als Antenne wirken.

Liegt beispielsweise eine induktive Einkopplung in einen Kabelbaum vor, findet sich in allen Leitern des Kabelbaumes ein gleichsinniger Störstrom wieder (daher der Name Gleichtakt). Insbesondere im Zusammenspiel mit der großen räumlichen Ausdehnung von Kabeln können diese dann recht ordentliche „Antennenwirkungsgrade“ entfalten und damit zu erheblichen Störemissionen führen.

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