Layout-Tipps bei PWM-DAC mit Op-Amp-Filterung

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Layout-Tipps bei PWM-DAC mit Op-Amp-Filterung
Suche nach: pwm (3485)

    










BID = 1085153

BlackLight

Inventar

Beiträge: 4565
 

  


Langsame Digitalelektronik ist einfach und bei Analogelektronik werde ich langsam besser. Nur an der Schnittstelle zwischen analog und digital tue ich mir noch etwas schwer.
Ich fasse meine Frage mal in Worte, oft klären sich die einfachen Fragen schon von selbst:

Im folgenden soll als Beispiel mal mit einem 5V-µC per PWM eine z.B. 0-20-V-Spannung in "Audioqualität" generiert werden. An sich nicht schwer, hier mal ein vereinfachter Schaltplan:



- U1 ist der µC und der gibt an PB0 seine PWM aus.
- R1 & C1 sind ein passiver Tiefpass.
- U2, R2 und C2 ein aktiver Tiefpass.
- U3 ist die "Hochspannungsendstufe" und über R4 & C4 kann man die Bandbreite auch limitieren.

Ohne Angabe von Werten für Rx/Cx sagt die PWM-Frequenz imho nicht viel aus. Müsste es nachschauen, aber betrage sie mal 100 kHz bis 1 MHz.


Offtopic :
Mit nur einer Versorgungsspannung muss man tricksen und die nicht-invertierenden Eingange (+) der Op-Amps auf eine entsprechende Spannung legen. Habe das nur mit GND2, GND3 und dem Baustein "VRef" angedeutet.


Nun zu meiner Frage:
Der Abstand U1 (µC) und U3 (HV-Endstufe) sei mit 10 cm fest vorgegeben. Bzw. sinnvoll, da man digitalen Kram (RxD/TxD, I2C, USB, ...) vom "Audiokram" trennen soll.

Wie platziere ich die Gruppen nun am besten auf der Platine?
A) Beim Prototyp hatte ich nicht weiter nachgedacht und R1/C1+U2 direkt bei U3 platziert.
D.h. mit x = 10 cm, y = z = 0 den EMV-Alptraum umgesetzt.

B) Beim Nachfolger den Tiefpass (R1+C1) nahe am µC platziert, damit nicht die PWM-Leitung quer über die halbe Platine laufen muss.
(z.B. x = 1 cm, y = 9 cm, z = 0)

Für Option C fällt mir ein, R1+C1 mit U2 recht nahe an U1 zu platzieren. Dann entfällt die Leitung mit dem Rechteck/Sägezahn, die über die halbe Platine läuft. Dafür habe ich aber nun eine lange, analoge Leitung, die ggf. sonst was einfangen kann. Muss ich noch prüfen bzw. beim Layouten berücksichtigen.
(z.B. x = 1 cm, y = 1 cm, z = 8 cm)

Bei Option C frage ich mich ob ich U2 nun an die digitalen 5V oder analogen 5VA hängen soll. Die sind wie dargestellt über einen 2x 100nF+Ferritperle-Pi-Filter entkoppelt. Oder es kommt noch ein Pi-Filter mit +5VA2 hinzu...
Am meisten bereitet mir aber der virtuelle Nullpunkt (GND2/GND3) Kopfschmerzen. Die werden aktuell aus einer gemeinsamen Quelle erzeugt bzw. laufen ggf. "über die halbe Platine." Sollte aber nicht so kritisch sein bzw. kann ich vor Ort an U2 & U3 nochmal entkoppeln.


In "Op Amps for everyone - Ron Mancini" habe ich eine so tiefgehende Diskussion von Mixed-Signal-Leiterplatten nicht gefunden. Bzw. den Tipp "örtliche Trennung" von analog und digital habe ich schon umgesetzt, sowie nur eine GND-Fläche genommen.
Gibt es von anderen Autoren interessante Dokumente zu dem Thema Mixed-Signal-PCB?

BID = 1085175

Ltof

Inventar



Beiträge: 8771
Wohnort: Hommingberg

 

  

Hm, die Abstände bringen gar nix, wenn da ungewollte (Signal-)Ströme durch die Versorgung (GND und VCC) fließen. Mit ordentlicher Leitungsführung und Entkopplung dürfen die Signale auch ganz dicht nebeneinander sein. Mit den großen Abständen kannst Du es u.U. sogar schlimmer machen, weil da Antennen entstehen.

Bei Audio und <1MHz ist das m.E. einigermaßen unkritisch.



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„Schreibe nichts der Böswilligkeit zu, was durch Dummheit hinreichend erklärbar ist.“
(Hanlon’s Razor)








BID = 1085181

BlackLight

Inventar

Beiträge: 4565

@Ltof:
Danke für die Antwort. Also wenn ich es richtig verstehe hältst Du eine sinnvolle Leitungsführung und Entkopplung der Versorgung für wichtiger.

Vielleicht habe ich mich mich mit den "10 cm" falsch ausgedrückt. Ich mache die Platine nicht absichtlich größer als sie sein muss.
Die "Endstufe" (große Ströme fließen da nicht) passt platzmäßig halt nicht direkt an den µC dran. Den Op-Amp im VSSOP-8-Gehäuse (Footprint 4x7 mm²) könnte ich eher dranschieben.

Aktuell passt alles noch auf eine zweilagige Platine. Die Rückseite ist bis auf ein paar Brücken überwiegend durchgängige Massefläche.


Hab letztens den YouTube-Kanal von Robert Feranec gefunden.
Er hat mehrere Videos in denen er diskutiert wie wichtig die Massefläche ist. Bzw. erklärt und visualisiert wie der Hin- und Rückstrom fließt. Siehe z.B.
Does Return Current Flow Under Signals? Watch these examples ...
Have you seen decoupling capacitor currents? Here they are ....


Zu der PWM-Frequenz, die liegt aktuell bei rund 100 kHz.



Ch1: PWM-Signal (gelb)
Ch2: Signal an C1 - passiv geglättet (Cyan) - AC-Kopplung
Ch3: Ausgangssignal von U3 (Magenta)

Nach dem Herrn Fourier wird das PWM-Signal mit "nur" 100 kHz Frequenzen bis weit über 1 MHz benötigen.
Da schaut das RC-Signal schon schöner aus. So glatt wie das "analoge Signal ist es noch lange nicht.

Dass es hier eher unkritisch ist ist mir auch klar. Aber wie sagt Hr. Feranec immer, irgendwann kommt ein Projekt in dem so Details entscheidend werden.
Deshalb würde ich bei dem aktuellen Projekt schon gerne üben wie man es richtig macht.

BID = 1085247

Jornbyte

Moderator



Beiträge: 5808

Die Entkopplung der Versorgung ist extrem wichtig.
Ich hab einen PHY mit 50MHz an einen STM32F407 gekoppelt. Das war beim EMV Test kein Problem. Aber der LM2576ADJ hat mir die Prüfung versaut da er direkt mit GND-Fläche verbunden war. Da musste ich die Leitungsführung umstellen. Also Vorsicht mit großer Masse bei direkt gekoppelter Spannungsversorgung.

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mfg Jornbyte

Es handelt sich bei dem Tipp nicht um eine Rechtsverbindliche Auskunft und
wer Tippfehler findet, kann sie behalten.

BID = 1085326

BlackLight

Inventar

Beiträge: 4565


Zitat : Jornbyte hat am 29 Jul 2021 21:27 geschrieben :
Aber der LM2576ADJ [...]
Den hab ich seit Jahren rumliegen, noch nichts mit gemacht. Aber der macht mit seinen nominal "nur" 52 kHz potentiell solche Probleme?

Mir schwant nichts Gutes, hab auch einen Boost Konverter (700 kHz) übernommen...

Danke für die ganzen Antworten. Ich verstehe langsam, dass diese theoretische Diskussion an die Grenzen kommt und zur Kontrolle langsam mal eine EMV-Messung gebraucht wird.
Das kommt bei mir so schnell nicht. Hat schon mal jemand mit einem nanoVNA was behelfsmäßig gebastelt?
Ansonsten muss ich mal meine Uni besuchen, die haben einen richtigen.

BID = 1085339

Ltof

Inventar



Beiträge: 8771
Wohnort: Hommingberg


Zitat :
BlackLight hat am  1 Aug 2021 05:57 geschrieben :

... Hat schon mal jemand mit einem nanoVNA was behelfsmäßig gebastelt? ...

Hab schon ewig einen VNWA3E, den ich dafür einsetzen könnte. Hab bislang aber noch keine Prechecks damit gemacht. Im Zweifel bekäme man damit nur heraus, dass man ein EMV-Problem hat, aber nicht, wie man es löst. Obendrein bräuchte man breitbandige Antennen ohne Lücken. Die müsste ich mir auch erst bauen oder kaufen. Da hört's dann auf.

Hilfreicher sind da schon die Langer-Sonden (und die Mini-Messkammer). Sonden hab ich schon improvisiert nachgebaut, um über eine Kundenschaltung eine Expertise machen zu können. Der Kunde hätte mir sogar seine eigenen Langer-Sonden geliehen - das hätte mir zu lange gedauert, bis ich die in den Fingern gehabt hätte. Mit dem Langer-Zeugs kann man sehr präzise Störquellen und -senken aufspüren. Das ganze Portfolio ist aber auch kein Schnäppchen mehr.

"EMV ist ein A....loch" sagte mal der EMV-Spezi eines Kunden. Es gibt immer wieder neue Fallen in die man tappt. Z.B. zu lange Leiterbahnen als Quelle oder Senke. Beliebt sind auch Stromschleifen durch Kapazitäten zum Schirmgehäuse an den falschen Stellen. Oder parasitäre "Schlitzantennen" im Gehäuse.

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(Hanlon’s Razor)

BID = 1088461

Brizz

Stammposter



Beiträge: 384
Wohnort: Rheine

Hallo Blacklight

Große Masseflächen sind nicht ideal, da die Ströme sich völlig unkrontrolliert verteilen können.

Besser ist es, die Spannungsversorgungen der einzelenen Chips von einem Massepunkt bzw. einem Pluspunkt zu versorgen, damit in jeder Zuleitung nur der Strom eines einzelnen Chips fließt, der nicht durch den Strom anderer Chips beinflusst wird. Zudem müssen Minus- und Plusleitungen so eng wie möglich über/nebeneinander geführt werden, damit zwischen ihnen keine Flächen entstehen, durch welche Magnetfelder ungewünschte Spannungen induzieren können.

Signalleitungen müssen auf der Seite des "Empfängers" belastet werden, nicht auf der Seite des "Senders", damit etwaige Transienten gegen niederohmige Verbindungen "arbeiten" müssen.

Falls Du bei der Spannungsversorgung freie Wahl hast, ist ein Trafo mit Mittenanzapfung und zwei Dioden einer Einfachwicklung mit einem Brückengleichrichter vorzuziehen, da dabei weniger Oberwellen (Brumm) entstehen.

Gruß
Brizz

BID = 1088465

BlackLight

Inventar

Beiträge: 4565


Zitat : Brizz hat am  8 Okt 2021 19:32 geschrieben :
Große Masseflächen sind nicht ideal, da die Ströme sich völlig unkrontrolliert verteilen können.

Besser ist es, die Spannungsversorgungen der einzelenen Chips von einem Massepunkt bzw. einem Pluspunkt zu versorgen, damit in jeder Zuleitung nur der Strom eines einzelnen Chips fließt, der nicht durch den Strom anderer Chips beinflusst wird. Zudem müssen Minus- und Plusleitungen so eng wie möglich über/nebeneinander geführt werden, damit zwischen ihnen keine Flächen entstehen, durch welche Magnetfelder ungewünschte Spannungen induzieren können.

Verstehe ich es richtig, VCC und Masse sollen sternförmig verlaufen? Weil tut mir leid, aber da bin ich anderer Meinung. Und das Magnetfeld ist nur ein Teil. Bei DC mag das noch stimmen, aber bei AC ist recht klar wo der Strom in der Massefläche fließt. Recht genau unter der entsprechenden Leiterbahn:



Quelle: Robert Feranec (YouTube) How GND VIAs Improve Your PCB Layout (Da geht es primär um Vias, das Bild passt hier aber auch.)
Für weitere Details einfach mal in die zahlreichen Videos von Rick Hartley reinschauen. So gut wie er kann ich nicht erklären, dass die Energie im Dielektrikum fließt.


Offtopic :
Klar, Massefläche und bzw. genauer gesagt "gound/copper pour" ist kein Allheilmittel, aber schlimmer geht immer.




Zitat :
Signalleitungen müssen auf der Seite des "Empfängers" belastet werden, nicht auf der Seite des "Senders", damit etwaige Transienten gegen niederohmige Verbindungen "arbeiten" müssen.
Das verstehe ich nicht.



Zitat :
Falls Du bei der Spannungsversorgung freie Wahl hast, ist ein Trafo mit Mittenanzapfung und zwei Dioden einer Einfachwicklung mit einem Brückengleichrichter vorzuziehen, da dabei weniger Oberwellen (Brumm) entstehen.
Das schießt ganz an meinem Thema vorbei.

Offtopic :
Wer es wissen mag, die Energie stellt bei mir ein Schaltnetzteil bereit und ein 5V-LDO und massig Kondensatoren sorgen dafür, dass kein Brummen mit 50 Hz/100Hz vorkommt.



BID = 1088468

Jornbyte

Moderator



Beiträge: 5808


Zitat :
und massig Kondensatoren

L/C ist besser

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BID = 1088471

BlackLight

Inventar

Beiträge: 4565


Zitat : Jornbyte hat am  8 Okt 2021 21:19 geschrieben :
L/C ist besser
Der LDO wirkt schon wie ein L. Ansonsten Pi-Filter für die analoge Spannungsversorgung ja.
Bei digitalen soll man das nicht machen. Erst die Tage gelernt: https://youtu.be/JHRKkSx3VmU

BID = 1088472

Jornbyte

Moderator



Beiträge: 5808


Zitat :
Bei digitalen soll man das nicht machen

Dann geh mal damit zur EMV Prüfung, da kommst nicht mal bis zum Messraum

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mfg Jornbyte

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BID = 1088475

perl

Ehrenmitglied



Beiträge: 11110,1
Wohnort: Rheinbach


Zitat :
die Energie stellt bei mir ein Schaltnetzteil bereit und ein 5V-LDO und massig Kondensatoren
Soll das auch noch auf die Platine?


Zitat :
da bin ich anderer Meinung. Und das Magnetfeld ist nur ein Teil. Bei DC mag das noch stimmen, aber bei AC ist recht klar wo der Strom in der Massefläche fließt. Recht genau unter der entsprechenden Leiterbahn:
Erstens widerspricht sich das nicht, denn das Magnetfeld ist ausserhalb der Schleife nur etwa 20% so stark wie innen, und
zweitens hat Brizz das ja längst implizit gesagt:

Zitat :
Zudem müssen Minus- und Plusleitungen so eng wie möglich über/nebeneinander geführt werden,




Zitat :
Falls Du bei der Spannungsversorgung freie Wahl hast, ist ein Trafo mit Mittenanzapfung und zwei Dioden einer Einfachwicklung mit einem Brückengleichrichter vorzuziehen, da dabei weniger Oberwellen (Brumm) entstehen.
Das leuchtet mir allerdings nicht ein.
Beide Male entsteht eine Gleichspannung mit 100Hz Brumm.

Lediglich ist der Wirkungsgrad beim Brückengleichrichter schlechter, weil dort immer zwei leitende Dioden hintereinandergeschaltet sind.
Wegen der doppelt so langen Diodenkennlinie wird das Schalten aber weicher erfolgen, und somit sollte der Brückengleichrichter weniger Oberwellen mit höherer Ordnung liefern.

Die Zweiweggleichrichtung ist wegen der geringeren Verluste insbesondere bei niedrigen Spannungen und hohen Strömen von Vorteil. Nachteil ist eine schlechtere Ausnutzung des Trafos und höhere Herstellungskosten wegen der Anzapfung.

Interessant ist ein Trafo mit Mittenanzapfung vor allem, weil man damit und nur einem einzigen Brückengleichrichter eine symmetrische Gleichspannung bekommt, bei der auch die Brummspannungen symmetrisch sind, und sich, mit etwas Überlegung im Schaltungsdesign, kompensieren.






[ Diese Nachricht wurde geändert von: perl am  9 Okt 2021  6:22 ]

BID = 1088541

Brizz

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Beiträge: 384
Wohnort: Rheine

Trafo mit Mittenanzapfung sind deshalb besser, weil da nur zwei Dioden Oberwellen erzeugen können.Früher konnte man in vielen Audiogeräten sehen, dass zur Unterdrückung von Oberwellenden den Dioden der Gleichrichter Kondensatoren von ca. C=10 nF parallel geschaltet wurden.

Wenn man den Strom durch die Dioden betrachtet, fließt da kein sinuidischer Strom, sondern es fließt nur ein Strom, solange die Trafospannung größer als die Spannung am Lade-Elko ist. Je größer seine Kapzität ist, desto größer werden die Stromspitzen des Ladestroms, und desto größer werden die dadurch entstehenden Oberwellen. Denen wirkt aber der doppelt so große Widerstand der Wicklungen des Trafos mit Mittenanzapfung entgegen.


[ Diese Nachricht wurde geändert von: Brizz am 11 Okt 2021  8:46 ]

BID = 1088544

Brizz

Stammposter



Beiträge: 384
Wohnort: Rheine

Signalleitungen müssen auf der Seite des "Empfängers" belastet werden, nicht auf der Seite des "Senders", damit etwaige Transienten gegen niederohmige Verbindungen "arbeiten" müssen.

Da habe ich mich wohl schlecht ausgedrückt.

Ein Bild ist tausend Worte wert.




@BlackLight

Ob das mit dem Netzteil so daneben war weiß ich nicht. Schließlich sollen Deine drei PT1-Glieder im NF-Bereich arbeiten und wollen mit einer Spannung ohne Aliasings und Schwebungen versorgt werden.

Gruß Brizz

BID = 1088552

Onra

Schreibmaschine



Beiträge: 2395

Für aktuelle Informationen kannst du dich bei dieser Zeitschrift anmelden und die pdf-Ausgaben herunterladen.
https://incompliancemag.com/magazine/past-issues/

Die Beiträge von Dirks Sen. und Junior sind auch interessant:
http://www.emv.biz/downloads/fachartikel/
Vieles wurde auch in Fachzeitschriften veröffentlicht.
Man muss sich anmelden, aber ich wurde noch nie belästigt.

Onra


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