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

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AC-Komponente von U_Common entscheidend

Diese ursprünglich zur Beschreibung funktionaler Aspekte definierte Spannung eignet sich auch für die Betrachtung der hier untersuchten Emissions-Probleme. Dazu wird folgende Überlegung angestellt: Wenngleich dieser Fall in der Praxis eher selten vorkommt, wäre es denkbar, dass nur auf einer der beiden Leitungen eine Störung auftritt. Dass also z..B. die Spannung D+ für einen kurzen Moment höher als vorgesehen ist.

Dieser kurze Puls verursacht nun eine Emissionskomponente, für die es keine Kompensation von der Leitung D- gibt. Gleichung 2 folgend, verteilen wir „gedanklich“ diesen Puls gleichermaßen auf beide Leitungen, die dann jeweils die halbe Emissionskomponente aussenden. Ebenso, wie sich die differenzielle Emission der beiden Leitungen weitestgehend auslöscht, addiert sich nun die Common-Mode-Emission der beiden Leitungen wieder zu der ursprünglichen Emissionskomponente.

In der Praxis machen wir also keinen großen Fehler, wenn wir für unsere Betrachtung unterstellen, dass Common-Mode-Störungen gleichmäßig auf beide Leitungen verteilt sind (in der Praxis ist dies ohnehin oft der Fall). Das elektrische Feld einer solchen CM-Störung ist in Bild 2 dargestellt. Die Spannung U_Common steht gleichermaßen zwischen D+ und GND und D- und GND.

Für die qualitative Betrachtung der EMV-Effekte können wir uns das differenzielle Paar zusammenfassend also schlicht als einfache Single-Ended-Leitung vorstellen, in der sich die CM-Störung als TEM-Welle ausbreitet. Beobachtbar als zeitabhängige Spannung U_Common zwischen Signalleiterbahn und GND.

In Bild 7 sind die verschiedenen Spannungen in einem realen LVDS-System dargestellt: Im oberen Teil des Bildes sind die beiden Spannungen UD+ und UD- (jeweils bezogen auf GND) dargestellt (CH 3 und CH 4). Aus der Addition dieser beiden Spannungen ergibt sich 2*_Common – in der Bildmitte zu sehen (M1). Unten im Bild ist die Spannung U_Differential zu sehen. Gebildet aus der Differenz UD+ - UD- (M3) entspricht sie der vom differenziellen Receiver ausgewerteten Spannung, also dem Nutzsignal.

Reales Signal nicht perfekt symmetrisch

Würde es sich um ein perfektes differenzielles Signal handeln, wäre U_Common konstant, da U_D+ und U_D- spiegelsymmetrisch um ihren Mittelwert alternierten. Bei diesem realen Signal ist U_Common jedoch nicht konstant, sondern weist einen hochfrequenten Ripple von 160 mV Peak-to-Peak auf (in Bild 5 ist 2*U_Common = 319 mV dargestellt).

Die Hauptursache für diesen Ripple ist eine Störung, die auf beiden SE-Kanälen D+ und D- gleichermaßen zu finden ist. Da die Störung auf beiden Kanälen praktisch dieselbe Phase und Amplitude aufweist, wird sie bei der Differenzbildung (= receiverseitige Auswertung des Signals) nahezu perfekt unterdrückt.

Aus EMV-Sicht hingegen haben wir es mit einem Vorgang zu tun, der in etwa einer vergleichbaren SE-Leitung mit einem Spannungshub von 160 mV entspricht. Angesichts der an anderer Stelle auf SE-Leitungen verwendeten TTL- oder CMOS-Pegel ist dieser Vorgang zunächst eher harmlos. Allerdings nur, solange es sich um relativ kurze Leitungen innerhalb der Leiterplatte handelt!

Wird das differenzielle Paar jedoch über einen Steckverbinder auf ein Kabel geführt, droht Gefahr: Im ungünstigsten Fall werden nur die beiden Signalleiter ohne weitere Filtermaßnahmen als Zweidrahtleitung herausgeführt. In diesem Fall wird der in den Signalleitern vorhandene CM-Strom zu einer erheblichen Abstrahlung führen, da sich diese Zweidrahtleitung in erster Näherung wie eine Antenne verhält.

Die in der Ferne vermutlich vorhandene differenzielle Terminierung ist im Hinblick auf die gleichsinnigen CM-Ströme in beiden Drähten hochohmig. Verschärfend kommt hinzu, dass bei dieser Konstruktion ein abrupter Übergang von einer unsymmetrischen zu einer symmetrischen Leitung realisiert wird; wie schon erwähnt und in Bild 1 sehr gut zu sehen, ist die GND-Plane integraler Bestandteil der differenziellen Leitung. Allein dieser Übergang führt selbst bei einem perfekt symmetrischen Signal zu einer spürbaren Erhöhung der Emission!

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