DE19809570C2

DE19809570C2 - Signalverbindung

Info

Publication number: DE19809570C2
Application number: DE19809570A
Authority: DE
Inventors: Peter Schweighofer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-03-05
Filing date: 1998-03-05
Publication date: 2000-02-17
Anticipated expiration: 2018-03-06
Also published as: DE19809570A1; US6265655B1; JP2000113740A

Description

Die Erfindung betrifft eine Signalverbindung aus mindestens zwei elektrischen Leitern, durch die verschiedene Bauelemente und/oder Baugruppen miteinander verbunden sind.

Eine derartige Signalverbindung dient z. B. dazu, über minde stens zwei elektrische Leiter ein TTL-IC mit einem Optokopp ler zu verbinden. Von den mindestens zwei elektrischen Lei tern dient z. B. einer als Masseleitung und der andere elek trische Leiter bzw. die anderen elektrischen Leiter dienen als Signalleitung.

In einer magnetisch stark gestörten Umgebung, z. B. bei einem benachbarten Magnetresonanz-Gerät oder bei benachbarten Lei stungstransistoren, können in die elektrischen Leiter so hohe Spannungen induziert werden, daß möglicherweise Funktionsstö rungen auftreten, die eine sichere Signalübertragung unmög lich machen.

Um derartige magnetische Einstreuungen zu verhindern, ist es z. B. bekannt, Koaxialkabel für die Signalübertragung zu ver wenden. Bei Koaxialkabeln handelt es sich um konzentrisch an geordnete elektrische Leiter, bei denen die auftretenden elektrischen Störfelder dadurch abgeleitet werden, daß die elektrischen Leiter keine geschlossene Schleife bilden (Schleifenfläche gleich Null). Von den elektrischen Leitern werden somit keine magnetischen Störfelder aufgenommen.

Weiterhin ist es bekannt, elektrische Leiter paarweise zu verdrillen. Diese Maßnahme wirkt jedoch weniger gut als eine Koaxialleitung und muß daher oft in Kombination mit einer ge nau definierten Leitungsverlegung angewandt werden, wodurch sich entsprechende Mehrkosten ergeben können.

Ferner ist es bekannt, in den elektrischen Leitungen Filter vorzusehen, mit nicht unerheblichen Mehrkosten. Oft ist die Einbringung von Filtern jedoch nicht möglich, da die Filter eine Verfälschung der zu übertragenden Signale hervorrufen.

Durch die DE 31 45 039 A1 ist eine integrierte Halbleiter schaltung bekannt, die auf einem Substrat angeordnet ist und mehrere auf diesem Substrat ausgebildete Signalleitungen um faßt. Um die gegenseitige elektrische Beeinflussung einer er sten Signalleitung, die ein erstes Signal überträgt, und ei ner zweiten Signalleitung, die ein zweites Signal überträgt, zu verringern, ist eine dritte Signalleitung auf dem Substrat angeordnet. Die dritte Signalleitung überträgt ein drittes Signal, dessen Phase der Phase des ersten Signals entgegenge setzt ist. Durch die gegenphasige Einspeisung eines Signals in die dritte Signalleitung werden elektrische Störfelder zwischen der ersten und der zweiten Signalleitung durch ent gegengerichtete elektrische Störfelder zwischen der zweiten und der dritten Signalleitung kompensiert.

Die in Fig. 3 und 5 der DE 31 45 039 A1 gezeigten Layouts stellen jeweils eine aufwendige Realisierung von paarweise verdrillten Leitungen auf Halbleiterebene dar. Durch die Ver drillung der dritten Signalleitung mit der ersten Signallei tung wird die elektrische Beeinflussung der zweiten Signal leitung reduziert. In geringem Umfang werden durch die Ver drillung auch äußere magnetische Störungen kompensiert.

Bei den in Fig. 2 und 4 der DE 31 45 039 A1 gezeigten Varian ten werden zwar die elektrischen Felder der ersten und der zweiten Signalleitung kompensiert. Gegenüber einem Layout ge mäß Fig. 1 mit nur einer ersten und einer zweiten Signallei tung werden die magnetischen Störungen jedoch verdoppelt.

Die in der DE 31 45 039 A1 beschriebenen Kompensationsmaßnah men setzen immer voraus, daß sowohl die erste als auch die zweite Signalleitung signalführend sind. Führt nur einer bei den Signalleitungen ein Signal, dann ist diese Kompensations maßnahme ungeeignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Si gnalverbindung der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch bei starken magnetischen Störungen und unabhängig von der Anordnung der Bauelemente bzw. der Baugruppen eine siche re und kostengünstige Signalübertragung gewährleistet.

Die Aufgabe wird bei einer Signalverbindung gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens ein zusätzlicher elektrischer Leiter wenigstens beidseitig mit einem der beiden elektrischen Leiter derart verbunden ist, daß von magnetischen Störfeldern induzierte Spannungen kompensiert werden.

Bei einer Signalverbindung gemäß Oberbegriff von Anspruch 2 wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein zwi schen den elektrischen Leitern abgestrahltes magnetisches Störfeld durch ein magnetisches Störfeld kompensiert wird, das zwischen einem der elektrischen Leiter und einem zusätz lichen elektrischen Leiter abgestrahlt wird, wobei der zu sätzliche elektrische Leiter mit seinen Enden mit einem der beiden elektrischen Leiter elektrisch leitend verbunden ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Signalverbindung gemäß An spruch 1 bzw. gemäß Anspruch 2 sind in den Ansprüchen 3 bis 6 beschrieben.

Die Signalverbindung nach Anspruch 1 umfaßt mindestens zwei elektrische Leiter, durch die verschiedene Bauelemente und/ oder Baugruppen miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß ist wenigstens ein zusätzlicher elektrischer Leiter derart angeordnet, daß von magnetischen Störfeldern induzierte Span nungen kompensiert werden.

Der zusätzliche Leiter bzw. die zusätzlichen elektrischen Leiter sind damit demselben magnetischen Störfeld ausgesetzt, das den oder die signalführenden elektrischen Leiter beein flußt. Die vom magnetischen Störfeld induzierten Spannungen werden dadurch vektoriell aufgehoben, wodurch die induzierten Spannungen kompensiert werden (sogenannte Fernfeldkompensati on).

Bei der in Anspruch 1 beschriebenen erfindungsgemäßen Lösung handelt es sich also um eine Entstörung wenigstens eines si gnalführenden elektrischen Leiters und nicht um eine Abschir mung vor magnetischen Störfeldern oder einer Ableitung von elektrischen Störfeldern. Damit bietet die erfindungsgemäße Lösung erhebliche Kostenvorteile. Die Signalverbindung nach Anspruch 1 unterliegt außerdem keinen Einschränkungen hin sichtlich der Verlegung ihrer elektrischen Leiter.

Die Signalverbindung nach Anspruch 2 umfaßt mindestens zwei elektrische Leiter, durch die verschiedene Bauelemente und/oder Baugruppen miteinander verbunden sind. Erfindungsge mäß wird ein zwischen den elektrischen Leitern abgestrahltes magnetisches Störfeld durch ein magnetisches Störfeld kompen siert, das zwischen einem der elektrischen Leiter und einem zusätzlichen elektrischen Leiter abgestrahlt wird.

Die erfindungsgemäße Kompensation nach Anspruch 2 kann zu sätzlich oder alternativ zur erfindungsgemäßen Lösung nach Anspruch 1 angewandt werden. Durch die Signalverbindung nach Anspruch 2 werden die von einer Störquelle verursachten ma gnetischen Störfelder wirkungsvoll kompensiert. Derartige Störquellen sind z. B. Bauteile der Leistungselektronik, die auf einer benachbarten Platine angeordnet sind und die über ihre elektrischen Leiter die Signalübertragung zwischen den TTL-IC's und den Optokopplern, die gemeinsam auf einer weite ren Platine angeordnet sind, massiv stören.

Das erfindungsgemäße Prinzip nach Anspruch 1 bzw. nach An spruch 2 kann bei nahezu allen Arten von Signalverbindungen realisiert werden. Beispielhaft sind hier Flachbandleitungen, Steckverbindungen oder Leiterplatten zu nennen.

Im Rahmen der Erfindung sind unter dem Begriff "Bauelement" elektronische, elektrische und elektromechanische Bauelemente zu verstehen. Analog umfaßt der Begriff "Baugruppe" elektro nische, elektrische und elektromechanische Baugruppen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Signal verbindung nach Anspruch 1,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Signal verbindung nach Anspruch 2,

Fig. 3 eine Flachbandleitung gemäß dem Stand der Technik im Querschnitt,

Fig. 4 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Si gnalverbindung nach Anspruch 1 bei einer im Quer schnitt dargestellten Flachbandleitung,

Fig. 5 eine Pinbelegung eines im Schnitt dargestellten Stec kers mit einer zweiten Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Signalverbindung nach Anspruch 1,

Fig. 6 eine im Querschnitt dargestellte Flachbandleitung für den Stecker gemäß Fig. 5,

Fig. 7 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Si gnalverbindung nach Anspruch 1 bei einer im Schnitt dargestellten Leiterplatte,

Fig. 8 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Si gnalverbindung nach Anspruch 1 bei einer weiteren, im Schnitt dargestellten Leiterplatte.

In Fig. 1 sind mit 1 und 2 ein elektrische Leiter bezeichnet. Der elektrische Leiter 1 ist mit seinem ersten Ende 11 an ein erstes Bauelement 3 (z. B. ein TTL-IC) und mit seinem zweiten Ende 12 an ein zweites Bauelement 4 (z. B. ein Optokoppler) geführt. Analog ist der elektrische Leiter 2 mit seinem er sten Ende 21 an das erste Bauelement 3 und mit seinem zweiten Ende 22 an das zweite Bauelement 4 geführt. Über den elektri schen Leiter 1 wird ein elektrisches Signal vom ersten Bau element 3 zum zweiten Bauelement 4 übertragen. Durch den elektrischen Leiter 2 wird die Masseverbindung zwischen den beiden Bauelementen 3 und 4 hergestellt.

Erfindungsgemäß ist wenigstens ein zusätzlicher elektrischer Leiter derart angeordnet, daß von magnetischen Störfeldern induzierte Spannungen kompensiert werden. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist hierzu ein zusätzlicher elektrischer Leiter 5 mit seinem ersten Ende 51 am ersten En de 21 des elektrischen Kabels 2 und mit seinem zweiten Ende 52 am zweiten Ende 22 des elektrischen Kabels 2 angeschlos sen.

Der zusätzliche elektrische Leiter 5 ist demselben magneti schen Störfeld B ausgesetzt, das auch den signalführenden elektrischen Leiter 1 beeinflußt. Dadurch, daß die Enden 51 und 52 des zusätzlichen elektrischen Leiters 5 an die Enden 21 und 22 des signalführenden elektrischen Leiters 2 geschal tet sind, werden die vom magnetischen Störfeld B induzierten Spannungen U_ind1 und U_ind2 kompensiert. Das erfindungsgemäße Prinzip nach Anspruch 1 funktioniert auch, wenn Masse und Si gnal vertauscht sind. Im Hinblick auf kapazitive Einstreuun gen ist es jedoch in der Regel vorteilhafter, den zusätzli chen elektrischen Leiter 5 mit dem auf Massepotential liegen den elektrischen Leiter 2 zu verbinden.

In Fig. 2 sind mit 1 und 2 wiederum elektrische Leiter be zeichnet. Der elektrische Leiter 1 ist mit seinem ersten Ende 11 an ein erstes Bauelement 3 (z. B. ein Zwischenkreiskonden sator) und mit seinem zweiten Ende 12 an ein zweites Bauele ment 4 (z. B. eine Halbleiterbrücke) geführt. Analog ist der elektrische Leiter 2 mit seinem ersten Ende 21 an das erste Bauelement 3 und mit seinem zweiten Ende 22 an das zweite Bauelement 4 geführt. Über den elektrischen Leiter 1 fließt ein elektrischer Strom I₁ vom ersten Bauelement 3 zum zweiten Bauelement 4. Durch den elektrischen Leiter 2 fließt ein elektrischer Strom I₂ vom zweiten Bauelement 4 zum ersten Bauelement 3. Die elektrischen Ströme I₁ und I₂ verursachen jeweils ein magnetisches Störfeld B₁ bzw. B₂, die entgegenge richtet sind.

Erfindungsgemäß wird das zwischen den elektrischen Leitern 1 und 2 abgestrahlte magnetische Störfeld B₂ durch ein magneti sches Störfeld B₁ kompensiert. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist hierzu ein zusätzlicher elektrischer Leiter 5 mit seinem ersten Ende 51 am ersten Ende 21 des elektrischen Kabels 2 und mit seinem zweiten Ende 52 am zwei ten Ende 22 des elektrischen Kabels 2 angeschlossen. In dem zusätzlichen elektrischen Leiter 5 fließt in der gezeigten Prinzipdarstellung ein elektrischer Strom I₅ vom zweiten Bau element 4 zum ersten Bauelement 3, wobei für die elektrischen Ströme gilt: I₁ = I₂ + I₅.

Durch den zusätzlichen elektrischen Leiter 5 wird zwischen dem elektrischen Leiter 1 und dem zusätzlichen elektrischen Leiter 5 ein magnetisches Störfeld B₁ abgestrahlt, das dem magnetischen Störfeld B₂ entgegenwirkt. Die magnetischen Störfelder B₁ und B₂ werden dadurch vektoriell aufgehoben (Vektorsumme gleich Null), wodurch die magnetischen Störfel der B₁ und B₂ kompensiert werden.

Die in Fig. 3 gezeigte Flachbandleitung gemäß dem Stand der Technik umfaßt zwei signalführende elektrische Leiter S₁ und S₂ sowie zwei auf Massepotential liegende elektrische Leiter M₁ und M₂. Die beiden elektrischen Leiter S₁ und M₁ bzw. S₂ und M₂ bilden jeweils eine Signalverbindung SC₁ bzw. SC₂. Um eine Störkompensation zu erreichen werden die beiden Signalverbin dungen SC₁ und SC₂ jeweils um einen zusätzlichen elektrischen Leiter Z₁ bzw. Z₂ erweitert. Nach der erfindungsgemäßen Umrü stung besteht die Signalverbindung SC₁ damit aus dem signal führenden elektrischen Leiter S₁ und den beiden auf Massepo tential liegenden elektrischen Leitern M₁ und Z₁. Analog um faßt die Signalverbindung SC₂ den elektrischen Leiter S₂, der das Signal führt, und die beiden auf Masse liegenden elektri schen Leiter M₂ und Z₂. Beide Signalverbindungen SC₁ und SC₂ bilden im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils eine Einebenenanordnung mit äquidistant zueinander angeordneten elektrischen Leitern.

Mit einem weiteren zusätzlichen elektrischen Leiter kann auch innerhalb einer Steckverbindung (z. B. in Schneid-Klemm- Technik) auf einfache Weise noch eine Störkompensation er reicht werden, wie im folgenden anhand der Fig. 5 und 6 erläu tert wird.

In Fig. 5 und 6 sind mit 10 und 20 sowie mit 30 und 40 jeweils ein elektrischer Leiter bezeichnet. In dem gezeigten Ausfüh rungsbeispiel liegen die elektrischen Leiter 10 und 40 auf Massepotential und die elektrischen Leiter 20 und 30 übertra gen die Signale. Jeweils zwei elektrische Leiter sind bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform eines Steckers in ei ner Ebene angeordnet.

Die zwischen den elektrischen Leitern 10 und 30 vom magneti schen Störfeld B induzierten Spannungen heben sich mit den zwischen den elektrischen Leitern 20 und 30 vom selben magne tischen Störfeld B induzierten Spannungen auf. Die gleiche Betrachtung trifft auch auf die vom magnetischen Störfeld B induzierten Spannungen zwischen den elektrischen Leitern 10 und 20 zu, die von den zwischen den elektrischen Leitern 30 und 40 induzierten Spannungen aufgehoben werden.

Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht nur auf Signalverbin dungen beschränkt, bei der zwei elektrische Leiter je Signal eine Einebenenanordnung bilden. Die erfindungsgemäße Maßnahme ist auch bei Steckern realisierbar, bei denen drei elektri sche Leiter eine Einebenenanordnung bilden (z. B. 96-polige DIN-Steckerleisten).

Das erfindungsgemäße Prinzip läßt sich auch innerhalb einer Leiterplatte realisieren, und zwar sowohl zwischen verschie denen Layern (Fig. 7) als auch innerhalb eines Layers (Fig. 8).

Bei dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Multilayer 6 mit entsprechenden, in Fig. 7 nicht gezeigten Bohrungen, wobei der signalführende elektrische Leiter S zwischen einem oberen Layer 61 und einem unteren Layer 62 angeordnet ist. Ein auf Massepotential liegender elektrischer Leiter M ist auf dem oberen Layer 61 angeordnet. Ein zusätzlicher elektrische Leiter Z, der ebenfalls auf Mas sepotential liegt, ist auf dem unteren Layer 62 angeordnet. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem elektrischen Leiter M und dem elektrischen Leiter Z wird durch die vorge nannten Bohrungen im Multilayer geführt. Bezüglich der Kom pensation der magnetischen Störfelder B gelten wiederum die vorstehenden Ausführungen.

Bei der in Fig. 8 gezeigten Leiterplatte handelt es sich um einen Singlelayer 7. Auf dem Singlelayer 7 sind ein signal führender elektrischer Leiter S und ein auf Massepotential liegender elektrischer Leiter M angeordnet. Weiterhin ist ein zusätzlicher elektrischer Leiter Z angeordnet. Auch in diesem Fall liegt der zusätzliche elektrische Leiter Z auf Massepo tential. Die drei elektrischen Leiter S, M und Z sind in ei ner Ebene und äquidistant zueinander angeordnet und zwar so, daß der signalführende elektrische Leiter S zwischen den bei den masseführenden elektrischen Leitern M und Z liegt.

In dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Leiterbahnbreite des elektrischen Leiters S genauso groß wie die Leiterbahnbreite der beiden elektrischen Leiter M und Z zusammen. In der Regel werden die beiden elektrischen Leiter M und Z gleich große Leiterbahnbreiten aufweisen. Damit wei sen die elektrischen Leiter M und Z jeweils eine halb so gro ße Leiterbahnbreite wie der elektrische Leiter S auf. Dadurch werden dann zusätzlich zur Kompensation der magnetischen Störfelder B auch kapazitive Kopplungen kompensiert, die von auf der Rückseite des Singlelayers 7 liegenden Potentialflä chen und/oder von auf der Rückseite des Singlelayers 7 ver laufenden elektrischen Leitern hervorgerufen werden.

Claims

1. Signalverbindung aus mindestens zwei elektrischen Leitern (1, 2; S, M), durch die verschiedene Bauelemente (3, 4) und/oder Baugruppen miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein zusätzlicher elektrischer Leiter (5; Z) wenigstens beidseitig mit einem der beiden elektrischen Lei ter (1, 2; S, M) derart verbunden ist, daß von magnetischen Störfeldern (B) induzierte Spannungen (U_ind1, U_ind2) kompen siert werden.

2. Signalverbindung aus mindestens zwei elektrischen Leitern (1, 2), durch die verschiedene Bauelemente (3, 4) und/oder Baugruppen miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen den elektrischen Leitern (1, 2) abgestrahl tes magnetisches Störfeld (B₂) durch ein magnetisches Stör feld (B₁) kompensiert wird, das zwischen einem der elektri schen Leiter (1) und einem zusätzlichen elektrischen Leiter (5) abgestrahlt wird, wobei der zusätzliche elektrische Lei ter (5) mit seinen Enden mit einem der beiden elektrischen Leiter (1, 2) elektrisch leitend verbunden ist.

3. Signalverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter (1, 2, 3; S, M, Z) äquidistant angeordnet sind.

4. Signalverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter (1, 2, 3; S, M, Z) in einer Ebene angeordnet sind.

5. Signalverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche elektrische Leiter (5) mit seinen Enden (51, 52) an die Enden (21, 22) eines auf Massepotential lie genden elektrischen Leiters (2) geführt ist.

6. Signalverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche elektrische Leiter (5) mit seinen Enden (51, 52) an die Enden (11, 12) eines signalführenden elektri schen Leiters (1) geführt ist.