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

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Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

CM-Ströme haben unterschiedliche Ursachen

Um diesen CM-Strom zu messen, wurde eine HF-Stromzange (FCC F36-4) in dem bereits oben genutzten LVDS-Testaufbau (Bild 4) um eine solche Zweidrahtleitung gelegt. Die schwarze Kurve in Bild 5 entspricht dem CM-Strom. Es fällt auf, dass Oberwellenanteile des 50-MHz-Nutzsignals bis etwa 3 GHz zu beobachten sind, wobei sich ein auffälliges Maximum um etwa 600 MHz findet.

Die Tatsache, dass CM-Anteile über die gesamte Bandbreite des Signals vorliegen, deutet auf eine sogenannte „Mode-Conversion“ hin. Bei diesem Vorgang wird ein Teil der Amplitude des differenziellen Nutzsignals in ein Common-Mode-Signal gewandelt. Jede Art von Asymmetrie in dem differenziellen System führt zu Mode-Conversion:

- Asymmetrie der Treiberstufen (Amplitude, Rise-/Fall-Time)

- Ungleiches Routing innerhalb des ICs

- Asymmetrie beim Anschluss der Leitung (Vias!)

- Asymmetrien der Leitung selbst:

• Abweichende Leiterbahnbreite

• Andere Leiterbahnen, Vias, Schrauben, Deckel etc. in der Nähe des Paares

• Asymmetrische Durchsteiger

• Fehlender oder falscher Längenausgleich

• Unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten

Bei einer angenommenen Mode-Conversion von 10% würden aus 350 mV Spannungshub 35 mV CM-Spannung, was auf einer 50-Ω-Leitung 700 µA CM-Strom entspricht. Da die CM-Impedanz der ungeschirmten Zweidrahtleitung einige wenige Hundert Ohm betragen dürfte, ist mit einem entsprechend geringeren Strom zu rechnen.

Der stärkste CM-Strom wird mit etwa 100 µA bei etwa 600 MHz gemessen, bei 2,6 GHz sind es immerhin noch 0,15 µA. (Der Strom lässt sich an Hand der Stromzangen-Transferimpedanz aus der gemessenen Spannung errechnen).

Die Ursache für das auffällige Maximum um 600 MHz ist eine Common-Mode Leitungs-Resonanz. Bei 600 MHz entspricht die 12,5 cm lange Zweidrahtleitung genau einem Viertel der Wellenlänge und ist damit eine ziemlich gute Antenne. Dieser Aufbau hätte geringe Chancen, die gängigen Zertifizierungsverfahren erfolgreich zu durchlaufen.

Selbstverständlich wären an dieser Stelle zunächst eine Reihe von Maßnahmen zu ergreifen, die bereits auf der Leiterplatte zu einer Reduzierung der Anregung führen [2]. An dieser Stelle soll jedoch untersucht werden, welche Verbesserungen sich durch die Verwendung eines Schirms realisieren lassen. Der gemessene CM-Strom nach Anbringung eines an GND kontaktierten Schirmes ist als rote Kurve in Bild 9 zu sehen. Allein der Schirm bringt hier Verbesserungen von bis zu 30 dB, da er einen sinnvollen Pfad für den CM-Rückstrom darstellt.

Interessanterweise lässt sich nun neben dem Maximum um 600 MHz ein weiteres Maximum bei gut 400 MHz ausmachen, welches vorher von den kräftigeren Oberwellenanteilen dank der logarithmischen Darstellung maskiert wurde. Dieses Störmaximum (jetzt immerhin die stärkste Linie im ganzen Spektrum – die Linie bei 1900 MHz stammt aus der Umgebung) wird durch ein mangelhaft ausgeführtes Stromversorgungssystem hervorgerufen.

Die stärkste in Bild 3 auf 2*U_Common (M1) sichtbare Störung weist eine Periodendauer von etwa 2,4 ns auf. Dies entspricht 417 MHz. Hier ist sehr gut zu erkennen, wie Fehler bei der Auslegung der Versorgungssysteme sich direkt in der Emission der Baugruppe abbilden!

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