Auf einen Blick
Systemdesigner sollten mehrere Ursachen für potenzielle Probleme in ihren differenziellen Netzwerken ins Kalkül ziehen. Neben den Kabeln gehören dazu Steckverbinder, Schutzbausteine und die Transceiver selbst. Die Impedanz-Toleranzen der einzelnen Komponenten entlang eines differenziellen Signalwegs sollten ein gewisses Gesamt-Asymmetriebudget nicht überschreiten. Außerdem sollten die Längen der Leitungen, auf denen die differenziellen Signale übertragen werden, bis auf einen Bruchteil der kürzesten vorkommenden Wellenlänge identisch sein. Das Leiterplatten-Layout und die Anordnung der Steckverbinder-Pins sind insbesondere bei Netzwerken mit hohen Signalfrequenzen wichtig. In Anwendungen mit hohem Störaufkommen sollten außerdem differenzielle Empfänger mit mehr Hysterese gewählt werden. Mit diesen Maßnahmen lässt sich eine zuverlässige Kommunikation auch in Anwendungen mit starken Störbeeinflussungen realisieren.
Bei den meisten Schnittstellen, bei denen digitale Informationen über Kabel übertragen werden, wird die differenzielle Signalübertragung angewandt. Zwar werden für diese Technik zwei Signalleitungen benötigt, doch bieten differenzielle Signale gegenüber massebezogenen Signalen den Vorteil einer deutlich höheren Störimmunität. Bei dieser Technik wird die Tatsache ausgenutzt, dass Störbeeinflussungen auf beide Adern identisch einwirken. Bild 1 zeigt hierzu ein Beispiel, bei dem ein differenzielles Signal über zwei verdrillte Signalleitungen (Twisted-Pair-Kabel) übertragen wird. Elektrische Störbeeinflussungen aus der Umgebung wirken in gleicher Weise auf beide Leitungen ein. Folglich liegen an A und B die beiden folgenden Signale an:
VA = + ½ VSIGNAL + VNOISE
VB = – ½ VSIGNAL + VNOISE
Die Differenz beider Spannungssignale beträgt somit:
VA – VB = VSIGNAL
In verbreitet eingesetzten Übertragungsstandards wie USB, Ethernet, RS-485 oder CAN werden die differenzielle Signalübertragung und symmetrische Twisted-Pair-Übertragungsmedien verwendet, um eine verlässliche und schnelle Kommunikation zu ermöglichen.
Für die Praxis sollten Designer jedoch daran denken, dass kein reales System die Eigenschaften des theoretischen Modells erreicht. Es gibt vielmehr eine ganze Reihe wichtiger Fehler- und Störquellen, die es zu beachten gilt.
Impedanz-Ungleichgewichte von Leitung zu Leitung
Die Symmetrie der Signalleitungen ist entscheidend für die Störimmunität der differenziellen Signalübertragung. Bei Twisted-Pair-Kabeln ist die zulässige Asymmetrie angegeben. Zum Beispiel ist für Cat-6A-Kabel bei niedrigen Frequenzen ein transversales Unsymmetriedämpfungsmaß von 40 dB spezifiziert. Dies bedeutet, dass eine gleichermaßen auf beide Signalleitungen wirkende (Gleichtakt-)Transiente von 1 V ein differenzielles Signal von nur 1 mV erzeugen darf. Bei Kabeln niedrigerer Kategorien wird ein größerer Teil des Gleichtaktsignals in ein differenzielles Signal umgewandelt.
Asymmetrien im differenziellen Signalweg können unter anderem durch Bauelemente hervorgerufen werden, die zum Schutz vor Transienten eingefügt werden. Zum Beispiel wird gelegentlich die Verwendung von TVS-Bausteinen (Transient Voltage Suppressor) zum Schutz vor Schäden durch elektrostatische Entladungen, Stoßspannungen und elektrische Störgrößen empfohlen. Designer sollten die Übereinstimmung derartiger Bauelemente überprüfen, um zu gewährleisten, dass beide differenziellen Leitungen in gleicher Weise beeinflusst werden.
Ungleichheiten zwischen den differenziellen Leitungen können außerdem durch Leiterbahnen und Steckverbinder verursacht werden. In beiden Fällen können die Impedanz und die Asymmetrie von der jeweiligen Frequenz abhängen. Designer sollten deshalb die Frequenzkomponenten der vorgesehenen Signalübertragung ebenso beachten wie das Aufkommen an elektrischen Störungen in der Umgebung.
Die Länge der Übertragungsleitung
Ungleich lange Signalleitungen sind eine weitere Ursache für die Umwandlung differenzieller Störungen in Gleichtakt-Störungen. Wenn Störungen gleichartig auf zwei perfekt symmetrische Leitungen einwirken, aber mit einer geringfügigen Zeitdifferenz am Empfänger eintreffen, äußert sich dies als eine von Null verschiedene differenzielle Störung. Mit zunehmender Frequenzbandbreite wirkt sich dies in immer stärkerem Maß aus.
VA = + ½ VSIGNAL + VNOISE = + ½ VSIGNAL + A sin [ωt]
VB = – ½ VSIGNAL + VNOISE‘ = – ½ VSIGNAL + A sin [ω(t+Δt)]
VA – VB = VSIGNAL + A {sin [ωt] – sin [ω(t+Δt)] }
Wenn Δt bei der jeweiligen Frequenz des Störsignals einer Phasenverschiebung von 180° entspricht, entsteht die ungünstigste Situation, dass das resultierende differenzielle Störsignal die doppelte Amplitude der ursprünglichen Gleichtaktstörung aufweist. Doch auch kleine Phasenverschiebungen können bereits dazu führen, dass ein beträchtlicher Teil der Gleichtakt-Störungen zu differenziellen Störungen wird. Schon eine Phasenverschiebung um 0,1 rad (zirka 6°) bewirkt, dass etwa zehn Prozent der Gleichtakt-Störung als differenzielle Störung spürbar werden.
Hierzu nun ein konkretes Beispiel: Der differenzielle Empfänger für ein USB-2.0-Gerät soll für den Empfang einer Datenrate von 480 Mbit/s eine Bandbreite von mindestens 1 GHz besitzen. Wird ein Störsignal von 1 GHz in die differenziellen Signalleitungen eingekoppelt, sorgt eine Längendifferenz von 3 mm für einen zeitlichen Versatz von rund 15 ps, was einer Phasendifferenz zwischen beiden Leitungen von etwa 0,1 rad entspricht. Dies kann zur Folge haben, das zehn Prozent der eingestreuten 1-GHz-Störung als differenzielle Spannung anliegen und möglicherweise einen unerwünschten Zustandswechsel am Empfänger bewirken. Bei Übertragungs-Standards, die mit niedrigeren Frequenzen arbeiten (zum Beispiel RS-485 oder CAN), ist die Empfängerbandbreite – und damit auch die Empfindlichkeit gegenüber Längendifferenzen bei langen Leitungen – entsprechend geringer.
Reduzierte Störimmunität in Leerlaufzeiten und bei Zustandswechseln
Wenn die Busleitungen aktiv auf einen gültigen logischen Zustand getrieben werden, ist der Ausgangspegel des Treibers wesentlich größer als die Schwellenwerte des Empfängers. Dieser große Abstand gewährleistet, dass der gesendete Zustand korrekt empfangen wird, selbst wenn das Signal durch elektrische Verluste gedämpft oder durch ein gewisses Maß an elektrischen Störungen verfälscht wird.
Anders ist es, wenn kein Treiber aktiv sendet. In diesem Fall sind die Busleitungen wesentlich anfälliger gegenüber Verfälschungen durch eingestreute differenzielle Störungen. Die gleiche Anfälligkeit besteht beim Wechsel von einem gültigen Zustand in den anderen, da das differenzielle Signal hierbei in die Nähe der Ansprechschwellen des Empfängers kommt. In beiden Situationen können bereits differenzielle Störungen von relativ geringer Amplitude kurzzeitig unerwünschte Übergänge des Empfängers von einem Ausgangszustand in den anderen hervorrufen. Während dieser kritischen Phasen lässt sich durch die Hysterese des Empfängers ein gewisses Maß an Störimmunität herbeiführen.
Hysterese verbessert die Störimmunität
Ist die Ansprechschwelle mit einer Hysterese behaftet, verringert sich die Empfindlichkeit differenzieller Empfänger gegenüber elektrischen Störgrößen auf den Signalleitungen. Der Abstand zwischen den Ansprechschwellen muss allerdings so eingestellt werden, dass die Gesamtempfindlichkeit des Empfängers nach wie vor den Anforderungen des betreffenden Standards genügt. Deshalb ist die (meist in mV angegebene) Empfänger-Hysterese ein Indiz für die Immunität eines bestimmten Transceivers oder PHY gegenüber differenziellen Störungen. Designer sollten die Empfänger-Hysterese berücksichtigen, wenn sie es mit Umgebungen mit hohem Störaufkommen zu tun haben.
Clark Kinnaird
(ah)
