Filtertechnik In Gleich- und Gegentakt

Die Aussendung und Einstrahlung elektromagnetischer Störungen kann für Elektronikentwickler beträchtliche Herausforderungen bergen. Wie lassen sich nun Filter konfigurieren, die Gleich- und Gegentaktstörungen eliminieren?

Da es sich bei den Störgrößen um elektrische Energie handelt, pflanzen sich diese über elektrische Leiter fort. Ist der betreffende Leiter jedoch nur einer unter vielen weiteren Leitern innerhalb eines Kabels, können sich die Störgrößen als Gleich- oder Gegentaktstörungen äußern. Der in Bild 1 dargestellte Test reproduziert eine Situation, die man bei der Störunterdrückung für elektronische Geräte häufig antrifft. An ein Gerät ist ein Schnittstellenkabel angeschlossen, das wie eine Antenne wirkt, von der die Störgrößen abstrahlen. Ohne Kabel ist der Pegel nur gering, wie in Bild 1a gezeigt. Sobald jedoch das Kabel angeschlossen ist, erhöht sich, wie in Bild 1b zu sehen ist, das Störaufkommen im Frequenzbereich zwischen 100 MHz und 300 MHz.

Nun besteht ein Schnittstellenkabel aber in der Regel aus einer Masse-, einer Stromversorgungs- und einer Signalleitung. Auf welcher dieser Adern pflanzt sich die Störgröße fort? Das Kabel in Bild 1 kann sogar abgeschirmt sein, sodass sich die Störgröße möglicherweise über die Abschirmung ausbreitet. In diesem Fall liegt eine Gleichtaktstörung an allen Anschlüssen des Steckverbinders vor, der mit dem Kabel verbunden ist. Im Gegensatz dazu betrachtet man die Masse einer elektrischen Schaltung in der Regel als Bezugspunkt, an dem die Störungen am geringsten sind. Wenn die Störgrößen das Potenzial an diesem Massepunkt überlagern, wie in Bild 1 gezeigt, überlagern sie auch das Potenzial am Versorgungsspannungs- und am Masseanschluss. Aus diesem Grund werden Störungen, die der Masse überlagert sind, auch als Gleichtaktstörungen bezeichnet.

Taktische Unterschiede

Elektrische Schaltungen basieren auf einem elektrischen Strom, der den Stromkreis durchläuft. Besteht der Stromkreis zum Teil aus einem Kabel (Bild 2a), so enthält dieses Kabel zwei Leiter, auf denen der Strom hin- und zurückfließt. Die Ströme in beiden Adern haben den gleichen Betrag, aber umgekehrte Vorzeichen, sodass ihre Summe stets null ist. Hierbei spricht man von einem Gegentaktstrom. Die in Bild 2a gezeigten Gegentaktstörungen werden auch als differenzielle Störungen bezeichnet. Im Unterschied dazu können die Ströme in den beiden Adern des Kabels auch das gleiche Vorzeichen haben, wie in Bild 2b. Dies bezeichnet man als Gleichtaktstrom. Wenn die Störgröße bezogen auf die Masse auf beide Adern des Kabels wirkt, fließen beide Ströme hier also in dieselbe Richtung, und der Rückstrom nimmt über die elektrostatische Kapazität zur Masse den Weg über die Masse (ggf. auch direkt über einen Leiter).

Zum Eliminieren von Störgrößen benutzt man üblicherweise Tiefpassfilter, die aus Kondensatoren (C) und Induktivitäten (L) zusammengesetzt sind und an den Enden eines Kabels oder in seiner Mitte angeordnet werden. Wie Bild 3 verdeutlicht, kann man mit einem Kondensator zwischen den Adern und einem in Reihe geschalteten Impedanzelement ein Gegentaktfilter implementieren. Der von Gegentaktstörgrößen verursachte Strom fließt in die gleiche Richtung wie der Arbeitsstrom in dem betreffenden Stromkreis. Man wählt die Kapazitäts- und Induktivitätswerte hier so, dass die Eckfrequenz des Tiefpasses jenseits der Frequenzkomponenten liegt, die wichtig für die Funktion der Schaltung sind. Wenn sich alle Leitungen bezogen auf die Masse auf gleitendem Potenzial befinden, so spricht man von einer symmetrischen Schaltung, und man verwendet ein Impedanzelement für beide Adern. In diesem Fall muss zur Aufrechterhaltung der Symmetrie für beide Adern dieselbe Impedanz gewählt werden. Ist dagegen eine Ader mit der Masse verbunden wie im Fall einer digitalen Schaltung, so spricht man von einer unsymmetrischen Schaltung. Hier kommt für die Masse normalerweise kein Impedanzelement zum Einsatz. Die Begriffe »symmetrisch« und »unsymmetrisch« bezeichnen den Charakter der Spannung bezogen auf die Masse bei der Durchleitung von Gegentaktsignalen. Bei einer symmetrischen Schaltung liegt auf beiden Adern die gleiche Spannung vor, während bei der unsymmetrischen Schaltung an der Masseleitung so gut wie keine Spannung liegt.

Gleichtaktfilter

Bild 4 illustriert, wie sich mit Kondensatoren, die in Y-Konfiguration mit der Masse verbunden sind, ein Gleichtaktfilter realisieren lässt. Falls irgend möglich, sollte als Impedanzelement eine Gleichtaktdrossel (stromkompensierte Drossel) verwendet werden. Hat das Kabel mehrere Adern, so ist es sinnvoll, eine Art stromkompensierte Drossel herzustellen, indem man das Kabel um einen Ferritkern windet oder eine Sandwichstruktur aus Kabel und Ferritkern bildet. Tritt hier eine Gleichtaktstörgröße auf, so kann sich diese an der Masse äußern, mit welcher der Y-Kondensator verbunden ist. In diesem Fall kann die Wirksamkeit des Y-Kondensators beeinträchtigt sein, da dieser nicht über eine geeignete Masseverbindung verfügt. In einem solchen Fall muss für den Y-Kondensator eine separate Masseverbindung geschaffen werden. Wie die Abbildung verdeutlicht, soll der Störgröße hiermit ein Rückweg zur Störquelle eingerichtet werden.

In den letzten Jahren werden vermehrt differenzielle Signale für die schnelle Datenübertragung verwendet (z.B. bei USB). Derartige Signale enthalten Gleichtaktstörungen, die sich etwas von den zuvor beschriebenen unterscheiden. Bei einem differenziellen Signal werden die beiden Adern eines Leiterpaars mit gegenphasigen Signalen angesteuert (siehe Bild 5), die an der Gegenseite als Spannung empfangen werden.

Wenn beide Ströme symmetrisch zueinander sind, liegen die Stromkomponenten nur als Gegentaktsignale vor, sodass wegen der in Bild 5 gezeigten Mechanismen nur sehr kleine Störgrößen auftreten. Die Anfälligkeit gegen von außen eingestreute Störgrößen ist außerdem geringer.

Wenn allerdings zwischen den Signalen auf beiden Adern ein geringes Ungleichgewicht besteht, werden die unsymmetrischen Komponenten zu Gleichtaktsignalen. Entstehen können derartige Ungleichgewichte durch unterschiedliche Anstiegs- und Abfallzeiten, Frequenz- oder Amplitudenabweichungen sowie überlagerte Gleichtaktstörungen (Bild 6). Die drei ersten Varianten sind eher ein Problem für die Signalintegrität als für das Störaufkommen. Unstimmigkeiten zwischen den Signalverläufen können durch unterschiedliche Leiterlängen, Knicke in den Leitern oder Impedanzunterschiede zwischen den Abschlusswiderständen hervorgerufen werden. Gleichtaktstörungen, die durch unterschiedliche Signal-Wellenformen entstehen, äußern sich durch Oberwellen im Spektrum des Signals. Überlagerte Störungen treten häufig auf, wenn sie von außen in die Stromversorgungs- oder Massezuleitung des Treibers oder Empfängers einkoppeln. Auch wenn sich derartige Störgrößen als Oberwellen äußern, stehen die Frequenzen in keinem Zusammenhang mit der Signalfrequenz.

Normalerweise verwendet man stromkompensierte Drosseln zum Ausfiltern von Gleichtaktströmen und zur Unterdrückung jeglicher Unstimmigkeiten zwischen den Wellenformen differenzieller Signale. Wenn die Störungen allerdings empfängerseitig auftreten, werden diese Drosseln auch dort eingesetzt. Hier greift man auf Bauelemente mit geringer Dämpfungswirkung auf differenzielle Signale zurück, da man diese möglichst wenig beeinträchtigen möchte. Neben stromkompensierten Drosseln eignen sich auch geschirmte Kabel, um den Störgrößen entgegenzuwirken.

Über den Autor:

Hidetoshi Yamamoto ist Product Engineer in der EMI Division von Murata.