Serie EMV-Praxis, Teil 2 Differenzielle Signalübertragung ist aus EMV-technischer Sicht eine gute Wahl, Teil 2

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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MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Der erste Teil dieses Beitrags befasste sich mit den grundlegenden Eigenschaften differenzieller Paare und den sich daraus ergebenden Voraussetzungen für einen erfolgreichen Einsatz. Er schloss mit der Betrachtung eingekoppelter Störungen und der Fähigkeit differenzieller Paare, mit den daraus resultierenden Common-Mode-Anteilen umzugehen: Da diese CM-Anteile dank differenzieller Auswertung zunächst keine Logik-Probleme aufwerfen, gelten Sie – zu Unrecht – als unkritisch.

Denn unter EMV-Gesichtspunkten betrachtet, können die so angeregten CM-Ströme fatale Folgen haben. Hinzu kommt, dass die differenzielle (und damit fehlende Common-Mode-) Terminierung für CM-Anteile im Wesentlichen eine Reflektionsstelle ist, die Störenergie also nicht absorbiert wird. Grund genug, genauer zu klären, was eine „CM-Störung“ eigentlich ist und wie sie entsteht.

Moden statt Spannungen

Zum besseren Verständnis dieser Problematik betrachten wir mit Hilfe einer HFSS-Simulation [1] die Ausbreitung der verschiedenen Moden in einer typischen Leiteranordnung, wie sie für differenzielle Paare in Leiterplatten verwendet wird. Der gängige Ansatz, die Vorgänge auf differenziellen Paaren mit Hilfe der Spannungen U_Differential und U_Common zu beschreiben, wird hier bewusst zurückgestellt, da er das Verständnis der EMV-relevanten Effekte erschwert.

Treiberseitig wird in jede der beiden Leitungen (D+ und GND bzw. D- und GND) eine TEM-Welle eingeprägt, die sich dann entlang der Leitungen ausbreitet. Diese Welle wird sowohl in der Signalleiterbahn als auch in der GND-Plane von einem Strom begleitet. In Bild 1 ist das elektrische Feld an einem differenziellen Paar dargestellt.

Im betrachteten Zeitpunkt beträgt die Spannung zwischen dem linken Signalleiter und GND +1V, die Spannung zwischen dem rechten Signalleiter und GND beträgt –1 V (Betrieb im sogenannten “Odd-Mode“). Die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Signalleitern beträgt folglich 2 V. Diese Spannungsdifferenz wird als ^U_Differential bezeichnet:

Wie bereits im ersten Teil dieses Beitrages erklärt, ist die Emission der beiden einzelnen SE-Leitungen betragsmäßig identisch, allerdings um 180° phasenverschoben. Dies führt dazu, dass sich die Emission im Fernfeld weitgehend auslöscht. Dieser Effekt ist dann besonders ausgeprägt, wenn beide Leitungen sehr nah beieinander liegen.

Für den theoretischen Grenzfall, wo beide Leitungen unendlich nah beieinander liegen, würde die Emission dann gegen Null gehen. „Aus der Entfernung“ betrachtet, würde sich das differenzielle Paar wie eine einzelne SE-Leitung verhalten, die nicht angeregt wird – also U_SE=0. Dies ist auch intuitiv ganz gut nachvollziehbar, beträgt doch die „mittlere“ Spannung des differenziellen Paares gegenüber GND ebenfalls 0 V. Diese mittlere Spannung wird auch als U_Common bezeichnet:

Im Hinblick auf Emissionsprobleme sind natürlich nur hochfrequente Anregungen von Interesse, eine konstante Gleichspannung wird keine Leitung zur Abstrahlung anregen können. Bei vielen differenziellen Übertragungsstandards ist die Spannung U_Common tatsächlich ungleich Null (bei LVDS z.B. 1,25 V), als Gleichspannung aber EMV-neutral.

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