Gleichtaktunterdrückung (CMRR)

Was sagt die Gleichtaktunterdrückung eines Eingangs aus — und warum hält eine Schnittstelle im Haus selten das, was das Datenblatt verspricht?

Die Gleichtaktunterdrückung ist die einzige Zahl, mit der sich die Störfestigkeit einer symmetrischen Schnittstelle beziffern lässt — und sie steht in Datenblättern regelmäßig ohne die Angaben, die sie vergleichbar machen würden. Sie sagt, um welchen Faktor ein Empfänger eine Spannung abschwächt, die an beiden Signaladern gleichzeitig und in gleicher Höhe anliegt. Genau das ist die Form, in der Störungen auf einer verdrillten Leitung ankommen: als Gleichtakt.

Zwei Adern führen dasselbe Signal, und das Gerät am Ende hört nur auf den Unterschied zwischen ihnen. Was von außen stört, trifft beide Adern gleich stark und ist damit kein Unterschied mehr — es verschwindet. Perfekt gelingt das nie, und wie gut es gelingt, ist genau diese Kenngröße. Der praktische Punkt für Dich ist ein anderer: Die Zahl im Prospekt wird im Labor unter besten Bedingungen gemessen. In einer echten Anlage kommt weniger davon an, und wie viel weniger, hängt an beiden Geräten und am Kabel dazwischen — nicht am Empfänger allein.

Was die Zahl misst

Ein Differenzeingang verstärkt zwei Dinge unterschiedlich stark: die Spannung zwischen den beiden Adern, das Nutzsignal, und die Spannung, die beide Adern gemeinsam gegen Masse haben. Die erste soll durchkommen, die zweite nicht. Das Verhältnis der beiden Verstärkungen ist die Gleichtaktunterdrückung, angegeben in Dezibel — die Gleichung dazu steht bei der Gleichtaktunterdrückung als Rechnung.

Gemessen wird sie, indem beide Eingänge zusammengeschaltet und gemeinsam gegen Masse angesteuert werden; was am Ausgang erscheint, wird mit dem verglichen, was dieselbe Spannung zwischen den Adern erzeugt hätte. 60 dB bedeuten Faktor 1000, 100 dB Faktor 100.000.

Ein Gleichtaktsignal ist dabei nichts Exotisches, sondern der Normalfall: die Potentialdifferenz zweier Geräte, die über eine Brummschleife verbunden sind, ein Feld, das in beide Adern gleich einkoppelt, der Störanteil einer nahen Netzleitung. Deshalb ist diese eine Zahl in der Installationstechnik so zentral — sie beschreibt genau die Störungen, die im Gebäude entstehen.

Warum das Datenblatt zu gut ist

Der Wert im Datenblatt gilt für den Baustein unter Laborbedingungen: mit einer idealen, symmetrischen Quelle und ohne Kabel. In der Anlage kommen drei Beiträge dazu, und alle drei ziehen nach unten.

Der erste sitzt im Empfänger selbst. Ein Differenzverstärker aus vier Widerständen unterdrückt nur so gut, wie diese Widerstände zueinander passen; jede Abweichung macht aus dem Gleichtakt ein kleines Gegentaktsignal. Die Größenordnung ist ernüchternd: Widerstände der Toleranzklasse 1 Prozent geben rund 34 dB her, und jede Verzehnfachung der Symmetrie bringt 20 dB dazu. Die Näherung dahinter gilt für diese vier Widerstände und für nichts sonst; sie steht mit ihrer Wertetabelle bei der Gleichtaktunterdrückung als Rechnung.

Der zweite ist die Quelle. Sind die Ausgangsimpedanzen der beiden Adern am sendenden Gerät nicht exakt gleich, teilt sich die Gleichtaktspannung ungleich auf — und aus dem, was gleich war, wird ein Unterschied. Dazu zählt jede Unsymmetrie auf dem Weg, auch die Kapazitäten der beiden Adern gegen den Schirm, die sich nie exakt gleichen.

Der dritte ist der wichtigste und der am seltensten genannte: die Gleichtakteingangsimpedanz des Empfängers. Sie bildet zusammen mit den Quellimpedanzen einen Spannungsteiler, und je niedriger sie ist, desto stärker wirkt sich jede Unsymmetrie aus. Das ist der Kern der Arbeit von Bill Whitlock, jahrzehntelang bei Jensen Transformers, die bei der symmetrischen Übertragung ausführlicher steht: Übertragereingänge haben eine um Größenordnungen höhere Gleichtakteingangsimpedanz als übliche elektronisch symmetrierte Eingänge und behalten deshalb im realen Aufbau ihre Unterdrückung, wo elektronische Eingänge einbrechen.

Daraus folgt die einzige Datenblattfrage, die etwas taugt: Unter welcher Quellunsymmetrie und bei welcher Frequenz wurde gemessen? Ein Wert ohne diese beiden Angaben beschreibt einen Baustein, keine Schnittstelle. Whitlock hat für genau diesen Zweck ein Messverfahren vorgeschlagen, das eine Unsymmetrie der Quelle absichtlich mitmisst.

Warum ein einzelner Zahlenwert nicht reicht

Die Unterdrückung ist frequenzabhängig und fällt zu höheren Frequenzen hin ab. Angegeben wird sie üblicherweise bei Netzfrequenz oder bei 1 kHz — also dort, wo sie am besten aussieht und wo das Brummproblem sitzt. Für Störungen aus Schaltnetzteilen, Dimmern und Funkdiensten, die weit darüber liegen, sagt dieser Wert wenig. Wer zwei Geräte vergleicht, vergleicht deshalb streng genommen zwei Kurven und nicht zwei Zahlen.

Was die Kenngröße nicht abdeckt

Die Gleichtaktunterdrückung ist eine scharfe Größe mit einem eng umrissenen Geltungsbereich, und die meisten Enttäuschungen entstehen an seinem Rand.

Sie gilt nur für Gleichtakt. Eine Störung, die nur eine der beiden Adern erwischt — eine gequetschte Ader, ein einseitiger Kontaktfehler, eine unsauber ausgeführte Verdrillung —, erscheint als Gegentakt und wird wie Nutzsignal behandelt. Das ist kein Versagen des Eingangs, sondern eine Aufgabe für Twisted Pair und für die Verlegepraxis.

Sie gilt nur innerhalb des Gleichtaktbereichs. Jeder Eingang verträgt eine gemeinsame Spannung nur bis zu einer Grenze; darüber begrenzt die Eingangsstufe, und die Unterdrückung bricht schlagartig zusammen. Bei RS-485 und RS-422 ist dieser Bereich mit minus 7 bis plus 12 Volt beziehungsweise plus/minus 7 Volt normativ festgelegt und einer der Gründe, warum diese Schnittstellen durch ein ganzes Gebäude hindurch funktionieren.

Und sie wird umgangen, wenn der Störstrom gar nicht am Eingang ankommt, sondern über die Schirmauflage in die Schaltungsmasse des Geräts läuft. Diesen Fall — das Pin-1-Problem — bemerkt der Differenzeingang nicht, weil die Störung hinter ihm entsteht. Ein Verstärker mit hervorragender Unterdrückung kann deshalb in einer Anlage brummen, ohne dass an seiner Eingangsstufe etwas auszusetzen wäre.

Häufiges Missverständnis

„Der Eingang hat 100 dB, also ist das Brummen um 100 dB leiser." Der Satz verwechselt den Baustein mit der Schnittstelle. Was der Empfänger allein leisten könnte, ist eine Obergrenze, die die Quelle und das Kabel gemeinsam nach unten ziehen — und zwar so weit, dass zwei Geräte mit identischen Datenblattwerten in derselben Anlage hörbar verschieden still sein können. Der Wert taugt zum Ausschließen schlechter Geräte, nicht zum Vorhersagen des Ergebnisses.

Der zweite Irrtum verlegt die Eigenschaft ins Kabel. Es gibt keine Gleichtaktunterdrückung eines Kabels — das Kabel liefert die Voraussetzung, indem es beide Adern gleich behandelt, aber die Unterdrückung findet im Empfänger statt. Umgekehrt kann ein Kabel sie verderben: Eine ungleichmäßige Verdrillung oder ein zerlegter Schirmzopf erzeugt genau die Unsymmetrie, an der die Rechnung scheitert.

Der dritte ist der teuerste, weil er in die falsche Richtung investiert: „Mehr Unterdrückung ist immer besser." Ab einem gewissen Punkt bestimmen andere Wege das Ergebnis — die Schirmauflage im Gerät, eine Einstreuung im Gegentakt, ein Störer, der überhaupt nicht über die Leitung kommt. Wer dort weiter am Eingang optimiert, bezahlt für eine Reserve, die nichts mehr abfängt.

Nicht zu verwechseln mit

Gleichtaktbereich: Der Spannungsbereich, in dem der Eingang überhaupt arbeitet. Er sagt, ob unterdrückt wird, die Unterdrückung sagt, wie gut. Beide Angaben gehören zusammen und ersetzen einander nicht.
Störabstand: Das Verhältnis von Nutzsignal zu Grundrauschen eines Geräts. Es beschreibt, was das Gerät selbst beiträgt; die Gleichtaktunterdrückung beschreibt, was es von außen hereinlässt.
Betriebsspannungsunterdrückung (PSRR): Dieselbe Denkfigur, aber auf die Versorgungsspannung bezogen — wie stark sich Welligkeit im Netzteil in den Ausgang durchschlägt.
Übersprechdämpfung: Betrifft zwei verschiedene Strecken, die sich gegenseitig beeinflussen, nicht zwei Adern derselben Strecke.
Schirmdämpfung: Eine Eigenschaft des Kabels und eine Maßnahme gegen Einkopplung von außen. Sie wirkt vor dem Eingang; die Unterdrückung wirkt darin.

In der Planung

Ein Prozessor im Technikraum und die Endstufen in einem zweiten Raum sollen über rund 25 Meter verbunden werden, entlang einer Trasse, in der auch Energieleitungen liegen. Zwei Prozessoren stehen zur Auswahl, beide mit XLR-Ausgängen, beide mit einer dreistelligen Dezibelangabe im Datenblatt.

Wichtiger als die höhere Zahl im Datenblatt ist, welche Störungen auf dieser Strecke zu erwarten sind und in welcher Form sie ankommen. Netzfrequentes Brummen aus einer Potentialdifferenz ist Gleichtakt, und dagegen hilft die Unterdrückung. Eine Einkopplung aus der parallel laufenden Energietrasse hat einen Gegentaktanteil, und dagegen hilft sie nicht — dort entscheiden Abstand, Trassenführung und Verdrillung.

Aus dieser Unterscheidung ergeben sich drei Schritte. Erstens wird die Datenblattangabe präzisiert: Bei welcher Frequenz und mit welcher Quellunsymmetrie wurde gemessen? Bleibt die Antwort aus, ist die Zahl für den Vergleich unbrauchbar. Zweitens wird die Rückfallebene festgelegt, bevor gebaut wird — ein Übertrager an einem Ende ist die Maßnahme, die auch dann noch wirkt, wenn die Einbausituation schlechter ausfällt als geplant, und sie kostet Bauraum, den man vorher einplanen muss. Drittens gehört die Schirmauflage geklärt, weil sie die Unterdrückung umgehen kann.

Die Gerätewahl steht am Ende und wird durch diese drei Punkte bereits weitgehend bestimmt. Interessant an ihr bleibt eine einzige Frage: ob der Eingang elektronisch symmetriert oder übertragergekoppelt ist — sie sagt über die zu erwartende Unterdrückung an dieser Strecke mehr als jeder Zahlenwert im Prospekt.

Verknüpfte Inhalte

Warum die Differenzbildung überhaupt funktioniert und was „symmetrisch" elektrisch bedeutet, steht bei der symmetrischen Übertragung; woher die Gleichtaktspannung im Gebäude kommt, bei der Brummschleife. Wie das Kabel die Voraussetzung dafür schafft, behandelt Twisted Pair, was der Schirm dazu beiträgt die Schirmung. Dieselbe Größe an einer digitalen Schnittstelle samt festgelegtem Gleichtaktbereich findet sich bei RS-485 und RS-422, die Steckverbinderseite bei XLR. Warum die Gleichheit der beiden Ausgangsimpedanzen einer Quelle wichtiger ist als ihr Betrag, steht bei der Ausgangsimpedanz.

Gerechnet wird bei der Gleichtaktunterdrückung als Rechnung — die Definition aus zwei Verstärkungen, die Näherung aus der Widerstandstoleranz und der Störabstand, der sich aus Gleichtaktspannung und Nutzpegel ergibt.

Quellen

Die Aussage, dass die Unterdrückung einer realen Schnittstelle an der Gleichtakteingangsimpedanz des Empfängers und an der Unsymmetrie der Quelle hängt, geht auf Whitlock (JAES 1995) zurück; dass ein Fehler in der Schirmauflage sie umgeht, auf Muncy im selben Jahrgang. Die Gleichtaktbereiche von RS-485 und RS-422 stammen aus dem TI-Bericht SLLA070C.