Angewandte eingebettete Elektronik

Kapitel 1. Grundlegende Konzepte

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Eine Einführung in die Elektronik vermittelt die Grundlagen des Ohm'schen Gesetzes, die Kirchhoff'schen Strom- und Spannungsgesetze, Strom- und Spannungsquellen, die Funktionsweise von Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten und ähnliche Themen. Ein typischer Lehrplan behandelt die idealen Versionen dieser Themen, um die Grundlagen klar zu vermitteln. Leider können akademische Vereinfachungen irreführend sein. In der realen Welt treten häufig Probleme auf, wenn die idealen Konzepte nicht ausreichen. Nichts ist ideal.

Dieses Kapitel wirft einen kurzen Blick auf einige der "nicht idealen" Komponenten, die in der Praxis vorkommen, wie sie sich von idealen Geräten unterscheiden und wo Konstrukteure auf die Grenzen nicht-idealer Geräte achten müssen. In diesem Kapitel geht es darum, ein Bewusstsein für häufig auftretende Probleme zu schaffen; im Rest des Buches werden Lösungen oder Strategien zur Vermeidung dieser Probleme entwickelt.

Um ein Problem zu lösen, muss sich der Designer zunächst des Problems bewusst sein. Auch hier gilt: Nichts ist ideal.

Grundlegende Elektronik

Es gibt viele Lehrbücher, die die Grundlagen des Elektronikdesigns aus wissenschaftlicher, technischer und hobbymäßiger Sicht behandeln. Der Schwerpunkt liegt hier nicht auf den Grundlagen der Elektronik, sondern auf den wichtigen Dingen, die notwendig sind, um ein zuverlässiges elektronisches System zu entwerfen. Die Abbildungen 1-1 und 1-2 dienen als schneller Checkpoint. Wenn du mit den Themen, die in diesen Abbildungen aufgeführt sind, einigermaßen vertraut bist, solltest du den nötigen Hintergrund haben, um mit dem hier vorgestellten Material zu arbeiten.

Abbildung 1-1. Grundlegende Konzepte, Teil I

Abbildung 1-2. Grundlegende Konzepte, Teil II

Wenn dir einige Punkte in den Abbildungen nicht geläufig sind, gibt es viele Nachschlagewerke, Online-Tutorials und Websites, die du erkunden kannst. Viele dieser Quellen decken die Grundlagen ab.

Ideale Vereinfachungen der akademischen Welt

Moderne elektronische Systeme sind überwiegend digital, aber die meisten Designprobleme sind analogen Ursprungs. Rauschen, Signalintegrität, Leistungsstabilität, elektromagnetische Störungen (EMI) und Verbindungsimpedanz sind häufige Probleme. Diese Probleme können ein elektronisches System schnell beeinträchtigen oder es sogar funktionsunfähig machen. Digitale Systeme sind toleranter gegenüber diesen Problemen, aber auch volldigitale Geräte können an analogen Grenzen scheitern.

Wenn du Elektronik erklärst, vermittelt eine vereinfachte Darstellung eine schnelle Vorstellung davon, wie etwas funktionieren sollte. Ein solches Modell "erster Ordnung" ist zur Vereinfachung und Veranschaulichung nützlich, lässt aber häufig wichtige Details außer Acht. Dieses einfache Modell ist oft unvollständig, und viele der "Effekte zweiter Ordnung", die nicht berücksichtigt werden, können die Leistung des Geräts erheblich beeinflussen.

Die Kenntnis eines detaillierteren Modells hilft, die Grundlage für eine bessere Planung zu legen. Die hier vorgestellten Techniken berücksichtigen alle die Effekte zweiter Ordnung und bieten Methoden, um mit ihnen umzugehen.

Zusammenschaltungen

Zunächst einmal muss die Idee von , Dinge miteinander zu verbinden, genauer betrachtet werden.

Wie in Abbildung 1-3 zu sehen ist, kann ein kurzes Stück Draht eine erhebliche Impedanz aufweisen. Ein 10 cm langes Stück 24 AWG-Draht hat eine Induktivität von etwa 100 nH, einen Widerstand von 10 Milliohm und eine kapazitive Kopplung mit der Umgebung .

Abbildung 1-3. Leitungsimpedanz

In diesem Beispiel wirken die Impedanz und die Kapazität des Drahtes gegenüber der Umgebung als Tiefpassfilter (LPF) oberhalb von 300-400 MHz und reagieren empfindlich auf Bewegungen, da sich die Kapazität in Abhängigkeit von der Platzierung des Drahtes gegenüber der Erde ändert. Größere Drähte können die Widerstandsverluste verringern, und parallele Drahtverbindungen können die Induktivität etwas reduzieren, aber die Induktivität lässt sich nicht so einfach entfernen.

Eine ähnliche 10 cm lange Verbindung auf einer Leiterplatte (PCB) weist viele der gleichen Eigenschaften auf. In Abbildung 1-4 ist die Induktivität ungefähr so hoch wie die des Drahtes, und die Kapazität hat sich erhöht, weil die Verbindung dicht über einer Grundplatte liegt. In dieser Situation beginnt die Leiterbahn aufgrund der erhöhten Kapazität bei etwa 80-90 MHz als LPF zu wirken. Ein Vorteil der Leiterbahn gegenüber dem Draht ist, dass sich die Eigenschaften der Impedanz aufgrund der festen Umgebung, die die Leiterplatte schafft, nicht ändern.

Abbildung 1-4. Impedanz der Leiterplattenverbindung

Die Erkenntnis daraus ist, dass jede Verbindung eine Impedanz und eine gewisse Kopplung mit der äußeren Umgebung hat.

Wenn du die in Abbildung 1-5 gezeigten Verbindungen herstellst, spielt die Impedanz der Quelle, der Verbindung und der Last eine Rolle dabei, wie stark der Signalverlust ist. Signalverluste und Verzerrungen werden mit längeren Verbindungen und höheren Frequenzen immer schlimmer. Konstrukteure, die unter 50 MHz und auf einer kleinen (10 cm × 10 cm) Leiterplatte arbeiten, können in der Regel viel davon ignorieren und überleben. Hohe Bandbreiten, große Entfernungen und Verbindungen außerhalb der Leiterplatte machen Verbindungsprobleme zu einem wichtigen Teil des Designproblems.

Abbildung 1-5. Anschlussimpedanz

Abgesehen von der Belastung und den Verlusten, die mit der Impedanz der Verbindung zusammenhängen, weisen Hochfrequenzsignale mit einer langen Verbindung auch Übertragungsleitungseigenschaften auf(Abbildung 1-6). Im Beispiel der 10 cm langen Verbindung braucht der Strom etwa 0,7 ns, um die Leitung zu durchlaufen. Abhängig von der Länge der Verbindung und der Frequenz der beteiligten Signale können unsachgemäß abgeschlossene Übertragungsleitungen die Signalintegrität beeinträchtigen.

Abbildung 1-6. Übertragungsleitung

Wenn die Wellenlänge des Signals einen wesentlichen Teil der Verbindungsstrecke ausmacht, müssen die Konstrukteure daher Probleme mit der Übertragungsleitung berücksichtigen. Bei dem Beispiel mit dem 10 cm langen Kabel würde eine Wellenlänge von weniger als 0,1 bei einer Sinuskurve von 280 MHz ausreichen. Ein digitales Signal hat mehrere Oberwellen, die mit einbezogen werden müssen, was die Möglichkeiten der Verbindung weiter einschränkt.

Die Abschlussimpedanz , _Zterm, sollte mit der charakteristischen Eingangsimpedanz _Zii der Leitung übereinstimmen, um Reflexionen auf der Übertragungsleitung zu minimieren. Praktische Anwendungen schließen an beiden Enden der Leitung ab (_Zsrc und _Zterm), um sowohl die anfängliche Reflexion als auch die Restreflexion zu minimieren, die zum angetriebenen Ende zurückgeht. Die Verwendung von Impedanzanpassungen, Striplines und das Erstellen von Datenpfaden mit hoher Signalintegrität sind Themen, die in den Kapiteln 3 und 11 (FDI: Digital, FDI: PCB) behandelt werden.

Wie in Abbildung 1-7 zu sehen ist, weist selbst ein massives Kupferblech, das als Leiterplatten-Massefläche verwendet wird, zwischen den einzelnen Stellen einen Widerstand und eine Induktivität auf. Ein Stromstoß an einer beliebigen Stelle der Massefläche führt dazu, dass die Spannung an dieser Stelle im Vergleich zu anderen Stellen der Massefläche ansteigt. Ein Stromstoß in den Boden ist vergleichbar mit dem Aufprall einer Person auf einer Straßenbahnpoline. Dieser Aufprall kann durch eine Minimierung der Bodenimpedanz und der Höhe der Stromstöße in den Boden gering gehalten werden.

Es ist wichtig zu erkennen, dass es nicht nur eine einzige ideale Masse gibt, sondern dass die Spannung der Masse sowohl von der Nähe zwischen den Punkten als auch von den Eigenschaften der Stromdynamik, die durch die Massefläche fließt, abhängen kann.

Abbildung 1-7. Planare Leiterplattenverbindungen

Abbildung 1-8 zeigt die Impedanz von Strom- und Masseverbindungen (P&G). Ein typisches elektronisches Gerät schaltet Lasten zwischen Strom und Erde, wodurch die Stromspannung abfällt und die Erdung ansteigt. Die Größe der P&G-Abweichung wird durch die Impedanz der Verbindung und die Geschwindigkeit, mit der sich der Strom ändert (di/dt), beeinflusst. Der Einschwingstrom kann durch die Varianz des Lastwiderstands und durch die Kapazität der Last beeinflusst werden. Durch die richtige Auslegung des Systems werden diese Variablen so angepasst, dass die P&G-Stabilität gut genug ist, um die ordnungsgemäße Funktion zu gewährleisten.

In den meisten Fällen lässt sich der P&G-Sprung mit den richtigen Schaltungstechniken, der Filterung des Leistungsbypasses und dem Leiterplattenlayout in Grenzen halten.

Abbildung 1-8. Netz- und Erdungsimpedanz, Ground Bounce und Leistungsinstabilität

Wie in Abbildung 1-9 zu sehen ist, gibt es bei Verbindungen zwischenrcuit boards Probleme mit der Signalintegrität auf allen Verbindungen. Stromstöße auf den P&G-Leitungen führen zu Spannungsschwankungen zwischen den getrennten Platinen. Diese Schwankungen führen zu Rauschen bei allen erdbezogenen Signalen, die sich auf die lokale Erde beziehen. Externe Stimuli wie EMI oder elektrostatische Entladungen (ESD) können alle Signale weiter verfälschen.

Abbildung 1-9. Impedanz zwischen Leiterplatten

Es müssen besondere Anstrengungen unternommen werden, um den verrauschten Rohstrom, der in die Platine gelangt, zu "säubern" und auf der Platine sauberen Strom zu erzeugen. Außerdem müssen Daten und Signale so zwischen den Platinen übertragen werden, dass sie nicht von lokalen Erdungen oder Stromversorgungen abhängig sind. Die Kapitel 3, 4 und 6 befassen sich mit diesen Themen (FDI: Power, FDI: EMC & ESD, FDI: Digital).

Die Verteilung eines gemeinsamen Signals an mehrere Empfänger kann zu Phasenfehlern zwischen den empfangenen Signalen führen. Abbildung 1-10 zeigt ein Signal, das an fünf Stellen gesendet wird. In der Verbindung sind die verteilte Verbindungsimpedanz, die Pfadlänge und die kapazitive Empfängerlast vorhanden. All diese Faktoren führen zu fünf verschiedenen Phasen des ursprünglichen Signals. Dies ist ein häufiges Problem bei der Verteilung von Taktbäumen, insbesondere bei hohen Taktfrequenzen, mehreren Zielen und größeren Entfernungen.

Abbildung 1-10. Phasenfehler in digitalen Signalen

Häufig denken Designer/innen nicht an die Zusammenschaltung, bis Probleme auftreten. Dann ist ein teurer Neuentwurf nötig. Wenn hohe Ströme, lange Verbindungswege oder hohe Frequenzen im Spiel sind, müssen sie bei der Planung sorgfältig berücksichtigt werden.

Grundlegende Komponenten

Die Entwicklung der Elektronik umfasst eine vielfältige Sammlung von Geräten, von denen viele inzwischen veraltet sind. Der Schwerpunkt liegt hier auf modernen Systemen, die kommerziell in großen Mengen hergestellt werden. Axial geführte Bauteile und andere durchkontaktierte Komponenten werden in den meisten in großen Stückzahlen hergestellten Geräten auf ein Minimum reduziert. Daher stehen hier oberflächenmontierte Schaltungskomponenten im Mittelpunkt.

Kondensatoren

Ein verteiltes Elementmodell eines oberflächenmontierten Keramik-Vielschichtkondensators (SMT MLCC) ist in Abbildung 1-11 dargestellt. Dieser Kondensatortyp hat mehrere ineinander verschachtelte leitende und isolierende Schichten. Die eigentliche Kapazität befindet sich zwischen benachbarten Platten (C), alle Platten haben einen kleinen Widerstand (R) und die Zwischenschaltung hat eine Induktivität (L). Die Arbeit mit einem Modell mit verteilten Elementen kann schwierig sein, und ein Äquivalenzmodell ist in der Regel ausreichend genau.

Das Äquivalenzmodell, auch als "Lumped Element"-Modell bekannt, enthält Elemente, die das von außen beobachtete Verhalten modellieren. Dieses Gerät besteht aus einer einzelnen äquivalenten Serieninduktivität (ESL), einem einzelnen äquivalenten Serienwiderstand (ESR), einem einzelnen Kondensator und einem Ableitwiderstand (_Rleak). Das Hauptelement des Kondensators kann variieren, vor allem in Abhängigkeit von der Temperatur und der Spannung, die an ihm anliegt. Die Variabilität ist auf die isolierenden dielektrischen Eigenschaften zwischen den Platten zurückzuführen.

Abbildung 1-11. Oberflächenmontierter Keramik-Vielschichtkondensator

Je nach Anwendung können einige Elemente ignoriert werden oder in anderen Fällen die Leistung des Geräts einschränken. ESL ist wichtig für die Leistung von HF-Schaltungen und Hochfrequenz-Leistungsfiltern, hat aber keinen Einfluss auf die Leistung bei niedrigen Frequenzen. ESL mit C erzeugt einen selbstresonanten Schwingkreis(Abbildung 1-12), der die Hochfrequenzleistung des Kondensators begrenzt.

Abbildung 1-12. Eigenresonanz eines oberflächenmontierten Keramik-Vielschichtkondensators

Der Ableitwiderstand wird zu einem Problem, wenn ein Kondensator verwendet wird, um eine statische Ladung für eine längere Zeit zu halten. Der ESR macht sich in Schaltungen bemerkbar, in denen hohe Stoßströme durch den Kondensator fließen. Der SMT-MLCC macht den Großteil der PCB-Kondensatoren aus, da er sehr zuverlässig und kostengünstig ist und eine große Auswahl an Optionen bietet.

Moderne Kondensatoren machen Kompromisse in:

• Kapazität pro Volumeneinheit

• Maximal angelegte Spannung (Durchbruchspannung)

• Min/Max Betriebstemperaturen

• Temperaturabweichung vom Nennwert

• Abweichung der angelegten Spannung vom Nennwert

• Alterungsabweichung vom Nennwert

• Nennwertgenauigkeit

• Gesamtlebensdauer

Diese Parameter beeinflussen sich gegenseitig. Wenn der Hersteller einen Parameter ändert, kann sich diese Änderung auf einen anderen Parameter auswirken. Eine höhere Durchbruchsspannung bedeutet zum Beispiel, dass das Gehäuse bei gleichem Kapazitätswert größer sein muss.

SMT-MLCCs haben unterschiedliche Dielektrika, was zu unterschiedlichen Leistungsparametern führt. Um die Unterschiede besser zu verstehen, sind einige kurze Bemerkungen zu den gängigsten Bauelementen hilfreich.

C0G und NP0 sind als Kondensatoren der Klasse 1 bekannt, die für minimale thermische Schwankungen und minimale Änderungen der Spannungsvorspannung ausgelegt sind. Klasse-1-Kondensatoren haben eine geringere Kapazität pro Volumeneinheit, um eine höhere Genauigkeit und Stabilität zu erreichen. Bei einer bestimmten Gehäusegröße ist die Gesamtkapazität begrenzt. Diese Bauelemente eignen sich für abgestimmte Schaltungen und andere Anwendungen, bei denen es auf Genauigkeit und Stabilität ankommt.

X5R, X7R, Y5V und andere sind als Klasse-2-Kondensatoren bekannt(Tabelle 1-1). Ihr Design geht zu Lasten der Spannungsgenauigkeit und der thermischen Stabilität, um mehr Kapazität in einem bestimmten Volumen zu erreichen. Die Bezeichnungen für diese Bauteile sind etwas verwirrend, aber eigentlich einfach zu entschlüsseln. Die drei Zeichen stehen für die Mindesttemperatur, die Höchsttemperatur und die Wertabweichung über die Temperatur. Ein X7R-Kondensator ist für einen Temperaturbereich von -55°C bis 125°C ausgelegt und hat eine Temperaturabweichung von +/-15%. Der Y5V-Kondensator ist für einen Temperaturbereich von -30°C bis 85°C ausgelegt und hat einen Wert zwischen +22% und -82%. Die Wahl des richtigen Kondensatordielektrikums kann die Genauigkeit erheblich beeinflussen.

Tabelle 1-1. EIA RS-198 Code für Kondensatoren der Klasse 2

Niedrige Temperatur (°C)	Hohe Temperatur (°C)	Temperaturabweichung
X = -55	4 = 65	P = +/-10%
Y = -30	5 = 85	R = +/-15%
Z = 10	6 = 105	S = +/-22%
	7 = 125	T = +22%, -33%
	8 = 150	U = +22%, -56%
	9 = 200	V = +22%, -82%

Geräte der Klasse 2 weisen auch den DC-Bias-Effekt auf, der auch als Gleichspannungscharakteristik bekannt ist und aus der Änderung des Kapazitätswerts in Abhängigkeit von der statischen Gleichspannung am Gerät besteht. Im Allgemeinen sinkt der Wert der Kapazität, wenn die Vorspannung steigt. Dies kann beträchtlich sein, denn je nach Bauelement ändern sich bis zu 60 % des Kapazitätswerts.

Bauelemente mit einer höheren Durchbruchsspannung haben in der Regel einen geringeren DC-Bias-Effekt bei der gleichen Spannungsänderung. Das kann nützlich sein, wenn ein Konstrukteur diesen Effekt verringern möchte. Wenn ein bestimmter Kondensator eine hohe Genauigkeit benötigt, kann ein Kondensator der Klasse 1 erforderlich sein.

Ganze Bücher sind den Kondensatoren gewidmet worden. Ein genauerer Blick auf die Grenzen des SMT MLCC ist gerechtfertigt, denn er ist der am häufigsten verwendete Kondensator in modernen Designs.

Verschiedene andere Kondensatoren werden in modernen Designs häufig verwendet. Der Aluminium-Elektrolyt-Kondensator (AEC) wird häufig in Filtern für Gleichstromversorgungen und anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen eine große Kapazität in einem kleinen Gehäuse und niedrige Kosten benötigt werden. Alle AECs haben aufgrund der hohen ESL ein schlechtes Hochfrequenzverhalten und sind daher nicht für HF-Anwendungen geeignet. Das Hochfrequenzverhalten der AECs kann bei Bedarf durch parallele SMT-MLCC-Bauelemente ergänzt werden. Das AEC hat außerdem eine begrenzte Lebensdauer, heikle Temperaturbeschränkungen und einen hohen ESR. In den technischen Daten der Bauteile findest du Informationen zur Alterung und zur Lebensdauer in Abhängigkeit von der Temperatur. Die meisten AEC-Bauteile haben Leistungs- und Lebensdauerkennwerte, die nur für einen bestimmten Hersteller und eine bestimmte Produktlinie gelten.

Sowohl Tantal- als auch Aluminium-Polymer-Kondensatoren sind in hochzuverlässigen und langlebigen Varianten erhältlich. Die Auswahl der Bauteile muss von Fall zu Fall erfolgen, da es auch bei diesen Bauteilen Varianten mit kurzer Lebensdauer gibt.

Die folgenden Punkte sind wichtig, um einen Kondensator zu finden:

• Bauteilnennwert und Fertigungstoleranz

• Durchschlagsspannung

• Paketgröße

• Dielektrischer Typ, Temperaturbereich und Temperaturschwankungen

• DC-Bias-Effekt und Gerätevariationen aufgrund der Bias-Spannung

• ESL-Eigenschaften und Eigenresonanzfrequenz (SRF)
  für Hochfrequenzanwendungen

• ESR-Eigenschaften, bei denen der Serienwiderstand die Leistung beeinflussen kann

• Daten zu Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Alterung

Widerstände

Ein typisches Widerstandsmodell ist in Abbildung 1-13 dargestellt. Neben dem idealen Widerstand (R) müssen einige zusätzliche Elemente berücksichtigt werden. Das sind ESL, äquivalente Parallelkapazität (EPC) und internes Rauschen (_Vn), das durch den Widerstand selbst erzeugt wird.

Im Idealfall hat ein Widerstand eine flache Impedanz über die Frequenz. Aufgrund von EPC und ESL ist die Impedanz bei hohen Frequenzen möglicherweise nicht flach. Bei Anwendungen mit Gleichstromvorspannung können ESL und EPC vernachlässigt werden. Multiwatt-Widerstände werden in der Regel mit drahtgewickelten Methoden hergestellt und haben erhebliche ESL- und EPC-Komponenten.

Abbildung 1-13. Hochfrequenz-Widerstandsmodell

Die meisten modernen oberflächenmontierbaren Widerstände sind eine Art Schichtwiderstand: Dickschicht, Dünnschicht und Metallschicht sind gängige Bezeichnungen für die verfügbaren Geräte. Mehrere Anbieter haben viele verschiedene Ansätze zur Herstellung von Widerständen gefunden. Im Allgemeinen weisen Metallschichtwiderstände ein geringeres Rauschen auf als Kohle- und Dickschichtwiderstände, aber erkundige dich bei den jeweiligen Anbietern nach den Rauschdaten.

Thermisches Rauschen, auch Johnson-Nyquist-Rauschen genannt, entsteht durch die thermische Bewegung der Elektronen in einem Widerstandsmaterial. Für die meisten Anwendungen mit großen Signalen ist dieses Rauschen kein großes Problem. Wichtig wird es bei HF-Frontends, Kommunikationskanälen und Szenarien mit geringer Amplitude, wo die Signale im Nanovoltbereich liegen.

Gigaohm-Widerstände sind von den Herstellern erhältlich, aber bei ihrer Verwendung müssen besondere Überlegungen angestellt werden. Staub und Feuchtigkeit(Abbildung 1-14) in der Umgebung können einen Pfad mit niedrigerer Impedanz als der Widerstand bilden. Generell gilt, dass alles, was über 100 K Ohm liegt, besondere Aufmerksamkeit braucht, um alternative Strompfade um den Widerstand herum zu vermeiden.

Abbildung 1-14. Umweltempfindlichkeit von hochohmigen Widerständen

Zum Glück brauchen die meisten modernen Designs keine hochwertigen Widerstände, denn die analogen Schaltungen, die sie früher verwendet haben, sind durch zuverlässigere digitale Methoden ersetzt worden.

Die folgenden Punkte sind wichtig für die Auswahl eines Widerstands:

• Bauteilnennwert und Fertigungstoleranz

• Materialzusammensetzung; Schichtwiderstände werden bevorzugt, ältere Widerstände auf Kohlenstoffbasis sollten vermieden werden

• Nennleistung

• Min-Max Temperaturbereich

• Maximale Nennspannung für Hochspannungsanwendungen

• Thermische Varianz, manchmal auch als Temperaturkoeffizient des Widerstands angegeben

• ESL für hochfrequente Situationen

• Thermisches Geräusch, Kohlenstoffkontaktgeräusch

• Stabilitäts-, Wiederholbarkeits- und Alterungsdaten

Induktoren

Ein Hochfrequenzmodell einer Induktionsspule ist in Abbildung 1-15 dargestellt. Es gibt einen gewissen EPC, der den nutzbaren Frequenzbereich einschränkt. Wenn EPC und L parallel geschaltet sind, schwingt das Gerät wie ein Tankkreis und sieht bei der SRF wie ein offener Stromkreis aus. Unterhalb der SRF funktioniert das Gerät wie eine Drossel; oberhalb der SRF verhält es sich wie ein Kondensator.

Der ESR definiert den Qualitätsfaktor (Q) der Drosselspule, wenn sie als Teil eines Filters verwendet wird. Beim Einsatz in einem Schaltnetzteil begrenzt der ESR den Wirkungsgrad.

Abbildung 1-15. Hochfrequenz-Drosselmodell

Induktivitäten werden häufig in der Leistungsumwandlung, der HF-Signalverarbeitung und der EMI-Begrenzung eingesetzt. Induktivitäten werden in Schaltnetzteil sowohl in AC/DC- als auch in DC/DC-Wandlern eingesetzt. Die Prioritäten der Drosseln bei der Leistungsumwandlung sind maximaler Strom, Sättigungsstrom, thermischer Bereich und Widerstandsverluste. Schaltwandler haben hohe Stromspitzen. Geeignete Bauelemente sind drahtgewickelte Drosseln mit einem Magnetkern, die eine hohe Strombelastbarkeit und geringe Widerstandsverluste aufweisen (FDI: Power).

Induktivitäten in HF-Signalverarbeitung werden in abgestimmten Schaltkreisen verwendet und benötigen eine gleichbleibende Genauigkeit für einen reproduzierbaren Frequenzgang. Ein hoher Qualitätsfaktor, die Bauteiltoleranz/-genauigkeit und die Gewährleistung, dass die SRF die zu verarbeitenden Signale nicht beeinträchtigt, haben Priorität. In Signalverarbeitungsdrosseln werden niedrigere Ströme verwendet, und viele Bauteile gibt es in oberflächenmontierten Varianten.

Induktivitäten, die zur EMI-Begrenzung verwendet werden, sind allgemein als Drosseln bekannt. Ihr Zweck ist es, Gleichstrom durchzulassen und gleichzeitig die transienten Ströme in der Verbindung zu reduzieren. Hochstromdrosseln werden in der Regel mit einer drahtgewickelten Leistungsinduktivität realisiert. Schwachstromdrosseln können mit kleineren oberflächenmontierbaren Drosseln realisiert werden (FDI: EMC & ESD).

Die folgenden Punkte sind wichtig für einen Induktor:

• ob der Bauteilwert und die Toleranz die geforderte Genauigkeit des Entwurfs erfüllen werden

• SRF und ob es die Signale von Interesse beeinflusst

• Stromstärke, Spitze und Durchschnitt

• Temperaturbereich

• Kernmaterial und Sättigungsstrom

• Gleichstromwiderstand und Gerät Q

• Ob abgeschirmt oder nicht abgeschirmt

Spannungsquellen und Batterien

Die ideale Spannungsquelle gibt es nicht. Eine unendliche Stromquelle mit einer festen Spannung ist ein akademisches Konzept. In der Praxis kann eine Spannungsquelle der Ausgang eines Spannungsreglers, eine Batterie oder eine andere Erzeugungsquelle sein. All diese Quellen haben ihre Grenzen.

Jedes detaillierte Modell der Spannungsquelle (Abbildung 1-16) enthält einen Quellwiderstand (_Rsrc), eine Rauschkomponente (_Vnoise) und eine Abhängigkeit der Spannungsquelle vom Ausgangsstrom (_Iload). Das Ziel eines Spannungsquellenentwurfs ist es, den _Rsrc, das _Vnoise und die Abhängigkeit von der _Iload zu minimieren.

Abbildung 1-16. Spannungsquellen, ideal (links) versus real (rechts)

Batterien haben eine begrenzte Kapazität, daher muss die Spannungsschwankung bei der Entladung in das Modell einbezogen werden. Außerdem haben Batterien Strombegrenzungen beim Laden und Entladen, eine verringerte Leistung mit zunehmendem Alter und unzählige spezielle Überlegungen, die vom jeweiligen Batterietyp abhängen. Kapitel 5 ist dem Aufbau, der Pflege und der Versorgung von Batterien gewidmet (FDI: Batterie).

Die Eigenschaften des _{Vnoise-Signals} hängen stark von den Methoden ab, die zur Erzeugung der Spannungsquelle verwendet werden. Wenn du eine rauscharme Stromversorgung brauchst, gibt es lineare Netzteile und Regler, die sorgfältig auf Rauschen optimiert wurden. Batterien sind zwar sehr rauscharm, aber sie sind nicht perfekt und können je nach Ladezustand ein elektrochemisches Spannungsrauschen erzeugen, oder das Batterieladegerät kann das Rauschen mit der Leistung überlagern.

Schaltnetzteile erreichen einen hohen Wirkungsgrad, erzeugen aber gleichzeitig Kommutierungsgeräusche, die mit der Spannungsregelung zusammenhängen. Digitale Elektronik braucht keinen extrem rauscharmen Strom, aber jeder Chip, der in ein System eingebaut wird, muss auf seine "Rauschgrenze" untersucht werden.

Aktuelle Quellen

Ähnlich wie bei der idealen Spannungsquelle gibt es auch keine ideale Stromquelle. Es gibt eine Reihe von Schaltkreisen, die der idealen Stromquelle sehr nahe kommen, aber Einschränkungen bei der Impedanz und dem Spannungsbereich haben.

Eine praktische Stromquelle(Abbildung 1-17) enthält einen Quellwiderstand (_Rsrc), eine Rauschkomponente (_Inoise) und einen Ausgangsstrom, der von der Ausgangsspannung (_Vout) abhängt.

Abbildung 1-17. Stromquellen, ideal (links) versus real (rechts)

Die meisten Stromquellen sind im Spannungsbereich begrenzt, um ein angemessenes Feststromverhalten zu gewährleisten. Diskrete Stromquellen werden im Board-Level-System-on-Chip (SoC)-Design nicht häufig verwendet, sind aber ein wichtiger Baustein im Design von analogen und Mixed-Signal-ICs (integrierten Schaltungen). Leser/innen, die sich für dieses Thema interessieren, können unter "Kaskodenstromquellen" weitere Informationen finden.

Schalter und Relais

Mechanische Schalter und Relais können problematisch sein, vor allem wenn sie als Steuereingänge an einem Logikport verwendet werden. Beide weisen aufgrund ihrer mechanischen Ausführung ähnliche Probleme auf.

Bei mechanischen Schaltern und Relais kommt es zum Beispiel zu einem Kontaktprellen(Abbildung 1-18), bei dem der Prozess des Öffnens und Schließens der Kontakte mehrere kurze Auf-/Zu-Zustände erzeugt. Wenn sie als digitale Logikeingänge verwendet werden, wird das Öffnen und Schließen der Kontakte aufgrund der unpräzisen mechanischen Kontakte als eine unregelmäßige Folge von Datenzuständen wahrgenommen. Die Verwendung eines Schalters an einem Logikanschluss erfordert, dass die Software den Anschluss mehrmals abfragt und die Zustandsänderung feststellt, nachdem sie 50-100 ms lang stabil geblieben ist.

Abbildung 1-18. Schalter und Relais mit Kontaktprellung

Zusätzlich zum Kontaktprellen haben Schalter eine Induktivität (L), die einem geschlossenen Schalter eine zusätzliche Impedanz verleiht. Die parasitäre Kapazität (_Cpar) ermöglicht es, dass Hochfrequenzsignale durch einen offenen Schalter geleitet werden. Außerdem haben die Kontakte einen sehr variablen Widerstand (_Rcon), der sich bei jedem Schaltzyklus ändern kann. Diese Variabilität wird mit zunehmendem Alter größer, da die Kontakte verschmutzt oder beschädigt werden.

Operationsverstärker

Der ideale Operationsverstärker (OP-Verstärker) soll eine unendliche Verstärkung, eine unendliche Bandbreite, einen unendlichen Spannungsbereich, einen unendlichen Ausgangsstrom, einen Eingangsstrom von Null, ein Rauschen von Null, eine Offsetspannung von Null und vor allem keine Stromversorgung benötigen. Als mathematisches Modell ist das eine interessante Idee, aber die Realität sieht anders aus.

Der echte Operationsverstärker(Abbildung 1-19) hat Einschränkungen, die die Leistung beeinträchtigen. Erstens benötigt das Gerät Strom und Masse (_Vpower, _Vgnd), und der Ausgang (_Vout) kann empfindlich auf Rauschen (NP, NG) an diesen Anschlüssen reagieren. Der Ausgang hat eine Impedanz (_Rout), und die Ausgangsspannung (_Vout) wird durch die Versorgungsspannung begrenzt. Die Verstärkung ist nicht unendlich; typisch ist eine offene Schleifenverstärkung von 80 dB.

Die Verstärkungsantwort über die Frequenz hat sowohl Bandbreitenbeschränkungen als auch eine additive Phasenantwort. Außerdem ist die Geschwindigkeit der Ausgangsreaktion durch eine maximale Anstiegsgeschwindigkeit begrenzt, mit der das Gerät reagieren kann. Da ein Operationsverstärker für die Funktion in einem geschlossenen Rückkopplungssystem ausgelegt ist, muss die Hochfrequenzverstärkung des Geräts intern begrenzt werden, damit es in einer Rückkopplungskonfiguration stabil bleibt. Aufgrund dieser Frequenzkompensation sind Op-Amps nicht unbedingt die besten Geräte für Hochfrequenzdesigns.

Eingang Kapazität (_Cinp) erzeugt eine Belastung, die die Hochfrequenzleistung beeinträchtigen kann. Operationsverstärker mit bipolaren Transistoren haben einen Eingangsvorspannungsstrom (_Ibias). Die im Operationsverstärker verwendeten Eingangstransistoren sind nicht perfekt aufeinander abgestimmt und erzeugen eine äquivalente Eingangsoffsetspannung (_Voff), die je nach Gerät typischerweise 1-10 mV beträgt. Diese Offset-Spannung wird zum Problem, wenn es um kleine Signale oder geschlossene Regelkreiskonfigurationen mit hoher Verstärkung geht. Die internen Schaltkreise erzeugen Rauschen, das als eingangsbezogenes Rauschen (IRN) modelliert wird.

Abbildung 1-19. Idealer versus typischer Operationsverstärker

Viele dieser Einschränkungen sind kein Problem, wenn du mit größeren Signalen arbeitest, aber wenn du eine hohe Verstärkung und eine hohe Bandbreite anstrebst oder Signale im Sub-MV-Bereich verwendest, wirst du an Leistungsgrenzen stoßen. Die genaue Leistung hängt vom gewählten Operationsverstärker ab, und viele Angebote sind unter erhältlich.

Spannungskomparatoren

Ein Spannungskomparator hat viele Dinge mit dem Op-Amp-Modell gemeinsam. Auch der Komparator(Abbildung 1-20) ist ähnlich wie ein Operationsverstärker empfindlich gegenüber Netz- und Erdungsrauschen (NP, NG), Eingangsbelastungskapazität (_Cinp), IRN und Eingangsoffset (_Voff). Da die typische Anwendung gegen eine feste Referenzspannung (_Vin -) erfolgt, reicht ein einfaches einseitiges Modell aus.

Abbildung 1-20. Typischer Komparator

Der Unterschied zwischen einem Operationsverstärker und einem Komparator besteht darin, dass ein Operationsverstärker für eine analoge Rückkopplungsschleife ausgelegt ist, ein Komparator dagegen nicht. Die Komparatorverstärkung ist oft höher (~100 dB), es wird keine interne Frequenzkompensation verwendet und der Ausgang ist digital.

Ein variables Zeitverhalten ist Teil eines Komparatormodells, da die Eingangs-/Ausgangszeit von der Amplitude des Eingangssignals abhängen kann. Kleine Signale mit einer minimalen Übergangsspannung breiten sich langsamer durch den Schaltkreis aus als ein größerer Spannungsübergang.

Nicht-ideale digitale Geräte

Digitale Geräte sind im Allgemeinen widerstandsfähiger gegen Rauschen als analoge Signale. Aber auch digitale Systeme haben nicht-ideale Probleme und Einschränkungen.

Abbildung 1-21 zeigt die Kommunikation zwischen zwei digitalen Geräten. In modernen Designs sind diskrete Gatter unüblich, aber dies zeigt die Kommunikation zwischen zwei beliebigen digitalen Geräten, wie z. B. feldprogrammierbaren Gate-Arrays (FPGAs), Mikrocontrollern oder anderen Geräten, die ein gemeinsames P&G haben.

Wie in der Abbildung dargestellt, enthält das P&G zwischen den Geräten Verbindungen mit verteilter Induktivität. Je nachdem, was sonst noch an das P&G-Netz angeschlossen ist, können Ströme, die aus dem Netz gezogen oder in das Netz eingespeist werden, dazu führen, dass die Verbindung einbricht oder ansteigt. Außerdem kann das Ausmaß dieses "Abprallens" an verschiedenen Stellen des Netzes unterschiedlich groß sein.

In Abbildung 1-21 hat das P&G-Netzwerk an einer Stelle (_VPWR1,_VGND1) andere Eigenschaften als an einer anderen Stelle (_VPWR2,_VGND2). Wie viel von dieser Abweichung tolerierbar ist, hängt von der Transistortechnologie ab, die in den digitalen Gattern verwendet wird, aber die Stabilität des P&G-Netzwerks muss Priorität haben.

Abbildung 1-21. Durch Impedanz erzeugte Spannungsdifferenzen zwischen Netz und Erde

In der Regel werden CMOS-Halbleiter mit Transistorschwellenspannungen entwickelt, die etwa ein Drittel der Versorgungsspannung betragen und eine P&G-Instabilität von 20 % der Nennleistung tolerieren können, bevor die digitalen Geräte falsche Zustände erzeugen. Jedes kommerzielle Produkt gibt akzeptable Spannungsbereiche für hohe und niedrige logische Zustände an. Diese Angaben sind ein schneller Anhaltspunkt dafür, wie viel P&G-Rauschen tolerierbar ist.

Wie in Abbildung 1-22 dargestellt, kann ein sauberes Zwei-Zustands-Signal an A durch instabile P&G (_VPWR1,_VGND1) an seinem Ausgang (B) verfälscht werden, die dann durch die Veränderung der P&G (_VPWR2,_VGND2) am empfangenden Ende (C) weiter gestört werden, so dass ein Ausgang (D) entsteht, der nicht mehr dem ursprünglichen Signal entspricht.

Abbildung 1-22. Digitale Empfindlichkeit gegenüber Netz- und Grundrauschen

Die Erzeugung falscher Zustände ist nur eines von vielen Problemen, die in digitalen Systemen auftreten. Betrachte das in Abbildung 1-23 gezeigte getaktete System mit zwei Geräten, die mit der gleichen Frequenz kommunizieren, aber unkorrelierte Takte verwenden. Obwohl die Takte die gleiche Frequenz haben, gibt es keine feste Phasenbeziehung zwischen den Geräten. Wenn sich die Phase ändert, verletzt die Daten-Takt-Beziehung periodisch die Setup- und Hold-Zeiten und es kommt zu Datenfehlern. In Kapitel 3 (FDI: Digital) werden Techniken für eine zuverlässige, unsynchronisierte Datenübertragung behandelt.

Abbildung 1-23. Unsynchronisiertes digitales System mit variabler Phase

Asynchrone Logik sollte wegen der unvorhersehbaren Ausgaben und digitalen Störungen vermieden werden. Obwohl Abbildung 1-24 ein wenig konstruiert ist, besagt die boolesche Analyse, dass der Ausgang (C) niemals aktiviert werden sollte. Die Realität zeigt, dass die Ausbreitungsverzögerung des Inverters den Ausgang beeinflusst. Dies verdeutlicht die Motivation für synchrone Logik, bei der eine Resynchronisierung der Daten zu einem Taktgeber verwendet wird, um Störungen zu vermeiden.

Abbildung 1-24. Wettlaufbedingungen in asynchroner Logik

Zusätzlich zu den Problemen, die durch die zeitlichen Beziehungen entstehen, kann die digitale Funktionalität aufgrund der analogen Eigenschaften digitaler Signale leiden. Mehrere Faktoren können dazu beitragen: höhere Datenraten, der Widerstand der Übertragungsstrecke oder eine mit Kapazitäten belastete Übertragungsstrecke.

Ein einfaches Treiber- und Empfängerpaar ist in Abbildung 1-25 dargestellt. Das mittlere Diagramm in der Abbildung zeigt die Verbindungsimpedanz mit dem Widerstand der Leiterplatte (_Rpcb), der Induktivität (_Lpcb) und der Kapazität (_Cpcb). Das untere Diagramm in der Abbildung enthält ein Ersatzmodell für den Ausgangstreiber und den Empfänger. Für CMOS-Logik kann der Ausgangstreiber als ein Paar Schalter und ein Widerstand modelliert werden._Rout, je nach den verwendeten Transistoren, typischerweise 10 Ω bis 80 Ω betragen. Darüber hinaus verhält sich der Empfängereingang in den meisten Situationen wie eine Kapazität. Diese Eingangskapazität ist auf große ESD-Schutzschaltungen mit hohen Strömen zurückzuführen, und 2 pF bis 10 pF sind für jedes Logikgatter üblich. Wenn man die Induktivität der Verbindungen ignoriert, zeigt dieses Modell, dass in jeder digitalen Verbindung ein RC-Tiefpassfilter vorhanden ist.

Abbildung 1-25. RC-Belastung in digitalen Logik-Verbindungen

Mit diesem detaillierteren Modell werden die Frequenzgrenzen der Logik deutlich. Abbildung 1-26 veranschaulicht die Einschränkungen, die durch die RC-Schaltungen aufgrund des Ausgangstreiberwiderstands und der angeschlossenen Kapazität entstehen. Links ist zu sehen, dass bei niedrigeren Frequenzen genügend Zeit zur Verfügung steht, um das Einschwingverhalten vor dem nächsten Übergang auszugleichen. Rechts: Wenn die Zeit zwischen den Übergängen verkürzt wird, hat das Gerät nicht genug Zeit, um sich einzupendeln. Die RC-Zeitkonstante des Systems bleibt gleich, aber es werden keine wohldefinierten logischen Zustände erreicht.

Abbildung 1-26. RC-Belastung und Signaldegeneration

Das System schlägt fehl, wenn die Grenzwerte für _Vhigh oder _Vlow verletzt werden oder wenn die Setup- und Hold-Zeiten von Flipflops nicht eingehalten werden. Massebezogene Logik schlägt häufig fehl, wenn sie für Hochfrequenzkommunikation verwendet wird. Bei hohen Datenraten werden häufig Differenzsignale verwendet, um diese Einschränkung zu minimieren (FDI: Digital).

Signalintegrität

Unerwünschte Effekte können von einer Schaltung zusätzlich zu ihrer normalen Funktion erzeugt werden. Viele elektronische Systeme erzeugen unerwünschtes elektronisches Rauschen, indem sie Signale erzeugen, die nach außen abstrahlen. Außerdem kann ein Teil eines Systems Rauschen erzeugen, das die ordnungsgemäße Funktion eines anderen Teils desselben Systems stört. In manchen Fällen kann ein schlecht konzipiertes System empfindlich auf von außen erzeugte elektromagnetische Störungen reagieren. Signalintegrität, Hochfrequenzstörungen (RFI), EMI, elektromagnetische Verträglichkeit (EMC), elektronisches Rauschen, HF-Immunität, elektromagnetische Abschirmung, Strahlungsemissionen, Übersprechen und andere sind allesamt verwandte Themen in diesem Bereich.

Anhand der zuvor besprochenen 10-cm-Verbindung werden in Abbildung 1-27 mit einer idealen Viertelwellenlängenantenne bei etwa 700 MHz Strahlungsemissionen erzeugt. In diesem Beispiel würde die siebte Harmonische einer 100-MHz-Uhr eine optimale Antenne haben, was die Verbindung zu einem Funksender macht. Alle Frequenzen würden von dieser Verbindung abgestrahlt, wenn auch mit unterschiedlichem Wirkungsgrad.

Abgestrahlte Emissionen sind besonders problematisch bei Computern und allen Geräten mit großen Mengen an digitalen Hochfrequenzschaltkreisen. Diee Federal Communications Commission (FCC) und andere weltweite Regulierungsbehörden beschränken die EMI, die jedes Gerät erzeugen darf, um Interaktionsprobleme zwischen elektronischen Geräten zu minimieren (FDI: EMC & ESD).

Abbildung 1-27. Abgestrahlte Emissionen

Wie in Abbildung 1-28 dargestellt, können Geräte nicht nur EMI nach außen abstrahlen, sondern auch intern für unbeabsichtigte Kommunikationzwischen Schaltkreisen empfindlich sein, was allgemein als Übersprechen bezeichnet wird. Diese Störkopplung kann kapazitiv oder magnetisch sein und erfolgt oft auf beiden Wegen. Dies zeigt ein häufiges Problem bei digitalen Signalen, insbesondere bei Hochfrequenzsignalen, da diese in einen unverbundenen Schaltkreispfad eingekoppelt werden können (FDI: Digital, FDI: EMC & ESD, FDI: PCB).

Abbildung 1-28. Empfindlichkeit gegenüber externen Signalen

Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

Die wichtigsten Punkte dieses Kapitels sind die folgenden:

• Akademische Vereinfachungen lassen oft wichtige Details weg, um die Klarheit zu erhöhen.

• Alle Verbindungen haben eine Impedanz, die zu Spannungsschwankungen bei P&G führen kann.

• Phasenfehler zwischen Empfängern können auch dann auftreten, wenn sie von einem gemeinsamen Signal gesteuert werden.

• Kondensatoren haben ESL-, ESR-, Eigenresonanz-, Leckage- und Spannungsschwankungsprobleme.

• Widerstände haben Probleme mit ESL, EPC und thermisch bedingtem Rauschen.

• Hochohmige Widerstände sind aufgrund von Umwelteinflüssen anfällig für Fehler.

• Induktivitäten haben ESR-, EPC- und Eigenresonanzprobleme.

• Spannungs- und Stromquellen können sowohl Impedanz- als auch Rauschkomponenten haben.

• Schalter haben Kontaktprellen, Induktivität und einen variablen Kontaktwiderstand.

• Operationsverstärker haben Beschränkungen wie Eingangs-/Ausgangsspannungsbereich, Bandbreite, Offset, Ausgangsstrom, additives Rauschen und andere.

• Komparatoren haben Einschränkungen in Bezug auf den Spannungsbereich, den Eingangsoffset, die Reaktionszeit und andere Faktoren.

• Eine Instabilität zwischen Strom und Erde kann die Logik beeinträchtigen.

• Asynchrone Logik kann zu unvorhersehbarem Verhalten führen.

• Erdgebundene Logik kann durch RC-Lasten eingeschränkt werden, die die Anstiegszeit und Amplitude des Signals verringern.

• Digitale Geräte erzeugen oft Strahlungsemissionen.

• Signale in einem Stromkreis können mit einem anderen Stromkreis gekoppelt werden, ohne dass eine direkte Verbindung besteht.

• Nichts ist ideal.

Die Absicht dieses Kapitels ist es, das Bewusstsein für die Grenzen und die nicht-ideale Natur der Elektronik zu schärfen. Viele Ingenieurinnen und Ingenieure werden sich aufgrund von Geräteausfällen vieler der hier beschriebenen Probleme bewusst. Aus Erfahrungen zu lernen ist von unschätzbarem Wert, aber eine Fehleranalyse ist nicht der effizienteste Einsatz von Zeit und Mühe.

Die in diesem Buch vorgestellten Techniken gehen auf diese Einschränkungen ein und entwickeln gleichzeitig Designlösungen, die sich in der Praxis bewährt haben.

Weitere Lektüre

• "Capacitor Guide - Dielectric Materials", EETech Media, LLC, www.capacitorguide.com/dielectric-materials.

• "Keramikkondensatoren verstehen: Typen - MLCC, C0G, X7R, Y5V, NP0, etc.", Electronics Notes, https://www.electronics-notes.com/articles/electronic_components/capacitors/ceramic-dielectric-types-c0g-x7r-z5u-y5v.php.

• "Here's What Makes MLCC Dielectrics Different", Kemet Corporation, https://ec.kemet.com/blog/mlcc-dielectric-differences.

• "Arten von Kondensatoren: An Essential Overview", Electronics Notes, https://www.electronics-notes.com/articles/electronic_components/capacitors/capacitor-types.php.

• "Hochzuverlässige Kondensatoren: When the Mission Just Can't Fail," Kemet Corporation, https://www.aerodefensetech.com/component/content/article/adt/features/articles/27962.

• C.K. Boggs, A.D. Doak und F.L. Walls, "Measurement of Voltage Noise in Chemical Batteries", Proceedings of the 1995 IEEE International Frequency Control Symposium (49th Annual Symposium), May 31-June 2, 1995.

• Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 5. Auflage, von Paul R. Gray, Paul J. Hurst, Stephen H. Lewis, und Robert G. Meyer, 2009, ISBN 978-0-470-24599-6, John Wiley & Sons.