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  1. Hier geht es zunächst nicht um die Schaltung an sich, sondern darum, wie man einen sauberen Schaltplan zeichnet, den auch andere Personen, auch und vor allem unter Zeitdruck (Fehlersuche!) verstehen können.

    Natürlich kann hier keine allgemeingültige Schritt-für Schritt Anleitung zum erstellen eines lesbaren Schaltplans gegeben werden. Wir werden uns daher auf einige wichtige, jedoch leider oft vernachlässigte Punkte beschränken. Es macht selbstverständlich einen Unterschied, ob man eine Blinkschaltung mit 2 Transistoren zeichnet oder an einem komplexen Projekt mit mehreren 1000 Bauteilen arbeitet. Ich werde mich eher auf komplexere Projekte fokussieren, da es dort ganz besonders auf eine saubere und systematische Vorgehensweise ankommt.

    • Eine Übersicht oder am besten ein Blockschaltbild auf der ersten Seite hilft, den Überblick zu bewahren und sieht auch noch gut aus. Üblicherweise sieht man bei einem abgehefteten Schaltplan ja zunächst nur die erste Seite...
    • Der Projektname, das Datum, die Revision, die verantwortlichen / beteiligten Personen und möglicherweise auch noch andere Infos wie Firmen- Projekt- und Kundennamen gehören auf jedes Schaltplanblatt.
    • Die einzelnen Schaltplanseiten sollten nicht überladen sein. Papier sparen ist zwar an sich lobenswert, aber man sollte es nicht übertreiben. Wenn es möglich ist, kann man einzelne Schaltungsteile (Spannungsversorgung, Mikrocontroller, Eingänge, Ausgänge, …) gruppieren und auf eigenen Seiten platzieren
    • Die einzelnen Seiten sollten dann natürlich einen eigenen Titel und sinnvollerweise auch eine kurze (Inhalts)beschreibung haben
    • Es ist sehr hilfreich, die Netze im Schaltplan zu benennen. Vernünftige Designtools zeigen die Namen dann auch im Layout an.

    Es ist klar, dass es sehr viele unterschiedliche Vorstellungen gibt, wie der Schaltplan nun genau auszuschauen hat. Und am Ende des Tages hat jeder Stil seine Vor- und Nachteile.

    • Wird eine Signalflussrichtung (z.B. links sind die Eingänge und rechts am Schaltplan die Ausgänge) eingehalten?
    • Sind die ICs als „logisches Symbol“ mit z.B. Eingängen links und Ausgängen rechts, „physikalisches Symbol“ mit Pinbelegung wie das „echte“ IC oder Multipartsymbole dargestellt?
    • Werden direkte Verbindungen, Busse oder Labels verwendet?
    • Wie groß werden passive Komponenten im Verhältnis zu ICs und Steckern dargestellt?
    • Wie werden Spannungen benannt? (5V, +5V, VCC...)
    • Welche Farben? (Leider gibt da oft das verwendete Programm viel vor)

    Was auch immer die bevorzugte Art ist, man sollte innerhalb eines Projektes konsistent bleiben. Das gilt auch (oder besonders) für die Komponentenbezeichner. Also einen IC nicht einmal als IC1 und einen anderen als U1 bezeichnen.

    Ein weiterer kontroverser Punkt ist die Frage, ob Berechnungen und Kommentare zum Layout bzw. Bauteilauswahl in den Schaltplan oder in ein eigenes Dokument gehören. Der Autor bevorzugt einen möglichst vollständig kommentierten Schaltplan inklusive einfacher Berechnungen und Hinweise für das Layout, aber ich kann die andere Sichtweise auch verstehen, wonach ein Schaltplan nur ein Schaltplan zu sein hat.

    Je nach Vorgehensweise bei Bauteilbestellungen und Zusammenbau können Schaltplansymbole für nicht elektrische Komponenten wie Befestigungsschrauben, Gehäuse, Fiducials, Seriennummer, Firmenlogo, Montagezubehör, Kabel und Stecker hilfreich sein, da sie dann gleich in der BOM (Bill of Materials, Bauteilliste, Bestelliste oder wie man das Dokument auch immer nennen will) und / oder im Layout vorhanden sind und damit schwieriger zu vergessen sind.

    Und zum Anschluss: Typischerweise auf die letzte Seite gehört eine Revisionsliste mit möglichst allen Änderungen ab der ersten Version, denn ohne eine solche Liste erinnert sich nach ein paar Korrekturen niemand mehr, was warum und wie geändert wurde.

  2. Abblockkondensatoren spielen eine elementare Rolle im Schaltungsdesign, besonders bei zunehmenden Taktraten. Empfehlungen und Faustregeln für die Auslegung gibt es viele, oft basierend auf Erfahrungs- und Schätzwerten. Doch worauf kommt es wirklich an und welches Vorgehen bei Auswahl und Layout hat erwiesenermaßen Vorteile?

    Grundlagen

    Um die Zuverlässigkeit von Schaltungen zu gewährleisten, ist vor allem eine stabile Spannungsversorgung notwendig. Dies erfordert zunächst ein Netzteil mit ausreichend genauer und stabiler Regelung. Bei höheren Taktraten wirken sich aber auch die Zuleitungen negativ auf die Stabilität der Versorgung aus. Leitungen auf der Platine wirken sowohl resistiv als auch induktiv und verursachen so besonders bei einem schnell ansteigenden Strom einen nicht unerheblichen Spannungsabfall. Dies ist etwa bei digitalen Schaltungen der Fall, wenn mehrere Gatter mit hohen Anstiegszeiten umgeschaltet werden. So kann es direkt nach dem Schaltvorgang zu einem Einbruch der Versorgungsspannung und damit zur Fehlfunktion oder Abstürzen kommen. Um dies zu verhindern, hat sich die Verwendung von Stützkondensatoren direkt an den betroffenen Stellen der Schaltung etabliert. Diese liefern zum Schaltzeitpunkt die kurzzeitig benötigte Energie und laden sich im Verlauf bis zum nächsten Taktzyklus wieder auf, dadurch werden starke Einbrüche unterbunden.

    Benötigte Kapazitätswerte

    Eine erste Abschätzung der notwendigen Kapazität lässt sich anhand des kurzzeitig benötigten Strombedarfs ermitteln. Oft findet man hierzu Näherungsformeln der Form;

    Hier entspricht Δt der Zeitdauer des Stromflusses und ΔU dem maximal zulässigen Spannungseinbruch an der Stelle des Kondensators.

    An dieser Stelle ist man versucht, die Überlegungen abzuschließen. Reale Kondensatoren zeigen in der Praxis jedoch nicht nur das gewünschte Verhalten. So weisen Kondensatoren neben ihrer Kapazität auch einen Serienwiderstand und eine Serieninduktivität auf. Das vereinfachte Ersatzschaltbild eines Kondensators entspricht damit also dem eines Serienschwingkreises, dementsprechend zeigt sich ein Anstieg der Impedanz bei hohen Frequenzen.

    Eine bessere Möglichkeit der Dimensionierung bietet daher die Betrachtung des Versorgungsnetzwerkes im Frequenzbereich. So lässt sich das Verhalten der Schaltung gut für eine Vielzahl von Szenarien abschätzen. Das Designziel für eine Versorgung mit möglichst geringen Spannungseinbrüchen ist dabei eine möglichst niedrige Impedanz über den relevanten Frequenzbereich. Bei niedrigen Frequenzen ist dies durch die Spannungsquelle bereits gegeben, die Zuleitungen wirken sich hier nur gering aus. Bei höheren Frequenzen muss die niedrige Impedanz durch das Hinzufügen von Kondensatoren erreicht werden. Dabei ist anzumerken, dass eine Platine mit Masse- und Versorgungsflächen bereits kapazitives Verhalten über einen weiten Frequenzbereich aufweist. Beispielhaft ergibt sich für eine FR4-Platine im halben Eurokarten-Format mit einem Lagenabstand von 0,25mm eine Kapazität von 1,3nF. Bei hohen Frequenzen kommt es aufgrund der Geometrie allerdings auch hier zu Resonanzen:

    Kombination mehrerer Kondensatoren

    Die störende Induktivität eines Keramikkondensators wird maßgeblich von der verwendeten Bauform und den Zuleitungen beeinflusst. Ein Kondensator der Bauform 0201 wird eine deutlich niedrigere Induktivität als ein Kondensator im 0805 Gehäuse aufweisen, dafür sind die verfügbaren Kapazitätswerte stark begrenzt.

    In der Praxis hat es sich daher etabliert, mehrere Kondensatoren zu kombinieren. Direkt an den ICs findet man oft Kondensatoren mit geringer Kapazität, parallel geschaltet zu größeren Kapazitätswerten in größeren Gehäusen. Die kleineren Kondensatoren bieten bei höheren Frequenzen noch das gewünschte Verhalten, große Kapazitätswerte sollen dann genügend Reserven bieten, um den benötigten Strom über eine größere Zeitspanne überbrücken zu können – soweit die oft herangeführte Überlegung. Diese Kombination ruft jedoch Antiresonanzen hervor, also Frequenzstellen, bei denen die Impedanz stark ansteigt. Dies stellt somit genau das Gegenteil des gewünschten Verhaltens dar. Hervorgerufen werden die Antiresonanzen durch die Kombination von Kondensatoren die bei der gegebenen Frequenz bereits induktiv wirken mit solchen, die sich noch im kapazitiven Bereich befinden. Pro zusätzlicher Kondensatorvariante ist also eine weitere Antiresonanz zu erwarten.

    In einer 2015 erschienenen Veröffentlichung wird daher die Kombination von mehreren gleichen Kondensatoren als Alternative untersucht und empfohlen[1]. Wie anhand der folgenden Abbildung erkennbar ist, senkt dies die Gesamtinduktivität gegenüber der eines einzelnen Kondensators, ohne dabei zusätzliche Antiresonanzen zu verursachen. Ebenso wird in dem Beispiel die gleiche Gesamtkapazität erreicht.

    Die in dem Beispiel verbleibende Antiresonanz wird durch das Impedanzverhalten der Leiterplatte in Kombination mit den hinzugefügten Kondensatoren verursacht und lässt sich kaum vermeiden.

    Anzahl der Kondensatoren

    Trotz Untersuchungen zu dem Thema lässt sich leider keine einfache Regel für die Anzahl der zu verwendenden Kondensatoren nennen. Als absolutes Minimum sollte jedoch ein Kondensator pro IC verwendet werden. Durch das Hinzufügen weiterer Kondensatoren kann die Induktivität, wie oben gezeigt, verringert werden. Dadurch ist es möglich, die Induktivität einem Minimalwert anzunähern. Ab einer gewissen Anzahl verringert sich die Impedanz also kaum noch mit zusätzlichen Kondensatoren. Wie schnell der Konvergenzwert angestrebt wird, ist dabei vor allem vom Layout abhängig[2].

    Layout

    Beim Layout ist darauf zu achten, dass die Kondensatoren mit möglichst kleiner Impedanz angeschlossen werden. Die Zuleitungen sollten also sehr kurz gehalten, die Kondensatoren somit nahe an das entsprechende IC gesetzt werden. Breite Leitungen sind zu bevorzugen. Bei eventuell benötigten Durchkontaktierungen sollte ebenfalls auf eine möglichst geringe Induktivität derselben geachtet werden. Hier spielt die Platzierung einzelner Durchkontaktierungen aufgrund der induktiven Kopplung zwischen benachbarten Vias eine nicht zu vernachlässigende Rolle[3]. Durchkontaktierungen, bei denen der Strom in die gleiche Richtung fließt, sollten dabei einen möglichst hohen Abstand zueinander aufweisen. Bei Stromfluss in entgegengesetzter Richtung ist ein geringer Abstand von Vorteil.

    Die ersten drei Layoutvarianten im obigen Beispiel zeigen dabei eine schrittweise Verbesserung durch eine Verkürzung der Zuleitungen in Kombination mit einem höheren Leitungsquerschnitt. Bei der vierten Variante sind die beiden Vias nebeneinander angeordnet, was dabei hilft die Induktivität der Anbindung zu senken. Das nächste Beispiel zeigt die gleiche Vorgehensweise, Vias mit gleicher Stromflussrichtung sind mit größerem Abstand angebracht, solche mit entgegengesetzter Stromrichtung nahe beieinander. Bei größeren Gehäusen lassen sich die Vias auch unter dem Kondensator anbringen, wie das letzte Beispiel zeigt.

    Bei der Platzierung mehrerer Kondensatoren lassen sich die gleichen Überlegungen treffen[4]. So hat eine alternierende Ausrichtung der Kondensatoren einen hohen Abstand der Vias mit gleicher Stromflussrichtung und einen geringen Abstand von Vias mit unterschiedlicher Richtung zur Folge. Ein größerer Abstand zwischen den Kondensatoren wirkt sich weiter positiv aus. In jedem Fall sollte die Anbindung mehrerer Kondensatoren über ein Via vermieden werden.

    Nichtlineares Verhalten

    Erwähnt werden muss auch, dass Keramikkondensatoren ein stark nichtlineares Verhalten aufweisen. Neben den oben aufgeführten parasitären Effekten sind alle Parameter nichtlinear von angelegter Spannung, Frequenz und Temperatur abhängig. Je nach Dielektrikum ist die halbe Kapazität bei Nennspannung nicht unüblich. Dies muss beim Entwurf berücksichtigt und auf entsprechende Reserven geachtet werden. Dieses Verhalten wird von Herstellern auch oft als Grund angeführt, kein Ersatzschaltbild im Datenblatt anzugeben. Hersteller, die beispielsweise SPICE-Modelle anbieten, geben diese in Abhängigkeit von Frequenz, Temperatur und angelegter Spannung an.

    Vorgehen beim Schaltungsentwurf

    Das der Entwurf des Spannungsversorgungsnetzwerkes und das konkrete Vorgehen nicht immer trivial ist, zeigen obige Überlegungen und zahlreiche wissenschaftliche Veröffentlichungen zu dem Thema.

    Im professionellen Umfeld lässt sich auf eine Vielzahl von Simulationsmöglichkeiten einschließlich elektromagnetischer Feldsimulation zurückgreifen, was das spätere Verhalten der Schaltung mit hoher Genauigkeit abschätzen lässt. Doch bereits einfachere Mittel wie Ltspice und Excel reichen für eine grobe Abschätzung aus, wie Linear Technology in einem Tutorial zeigt. Spezielle Programme wie etwa das PDN-Tool, das Intel als Designhilfe für die Verwendung der eigenen FPGAs anbietet, können den Entwicklungsaufwand ebenso deutlich verringern.

    Unabhängig davon, welchen Aufwand man zu investieren bereit ist, sollte man sich zumindest über das Verhalten von Keramikkondensatoren und die Einflüsse durch Kombination verschiedener Kondensatoren und die Auswirkungen durch das Layout bewusst sein.

    Quellen und weiterführende Informationen:

    1. ^ William B. Kuhn und Andrew D. Fund. “Power Supply Bypass Capacitors—Myths and Realities” (IEEE Xplore)
    2. ^ K. Shringarpure u. a. “On finding the optimal number of decoupling capacitors by minimizing the equivalent inductance of the PCB PDN” (IEEE Xplore)
    3. ^ J. Kim u. a. “Analysis of mutual inductance effect between decoupling capacitors on planar power bus” (IEEE Xplore)
    4. ^ B. Archambeault u. a. “Optimizing decoupling capacitor placement to reduce effective inductance” (IEEE Xplore)
  3. Rigol stellt mit dem DS2102E und dem DS2202E zwei neue Zweikanaloszilloskope vor. Neben einer vergrößerten Speichertiefe ist vor allem ein deutlicher Preissprung im Vergleich zu den Vormodellen bemerkenswert.

    Optisch, als auch von den Spezifikationen her, ähneln die beiden neuen Oszilloskope mit 100 MHz respektive 200 MHz Bandbreite stark denen der A-Version. Erfreulich ist dabei, dass sich der Speicher auf 28 Mpts gegenüber den Vormodellen verdoppelt hat. Die Abtastung erfolgt unabhängig von der Anzahl der genutzten Kanäle mit 1 GSa/s, beim Vorgänger waren hier 2 Gsa/s bei der Verwendung nur eines Kanals möglich.

    Interessant dürften aber vor allem die deutlich gesunkenen Preise sein. Bei der 100 MHz Variante DS2102E liegt der Preis bei 647 $, für die 200 MHz Variante DS2202E werden 847 $ genannt. Dies entspricht einer Reduzierung der Preise um 352 $ beziehungsweise 492 $ gegenüber den vergleichbaren Vorgängermodellen im US-Webshop des Herstellers.

    Bisher wurden nur zwei Modelle der Reihe vorgestellt, auf eine 70 MHz Version wird wohl verzichtet. Ebenso ist noch unbekannt, ob es neue Modelle mit Signalgenerator oder Logikanalysator geben wird. Dafür verspricht Rigol beim Kauf eines DS2000E bis Ende März nächsten Jahres die kostenlose Funktionsfreischaltung aller seriellen Decoder (RS232, I2C, SPI, CAN) und Advanced Triggering Optionen.

    Weitere Informationen:

  4. Für den nun folgenden Vorgang gibt es eine Menge Namen und Bezeichnungen. Entwurf, Systemdesign, Archtekturentwurf, High-Level Design, einfach nur Design und noch viel mehr. Im Prinzip geht es darum, ein Blockschaltbild zu erstellen und sich zu überlegen, wie man die einzelnen Teilprobleme effektiv löst. Einfach mit dem Schaltplan anzufangen führt leider oft zu nicht optimalen Lösungen.

    Um möglichst allgemein zu bleiben, gehen wir von einem Produkt mit einem Mikrocontroller (incl. Firmware), einer mixed Signal Schaltung und einem PC-basierten Konfigurations- oder Visualisierungstool aus.

    Die folgenden Fragen können natürlich nicht alle Fälle abdecken und nicht immer sind alle Punkte notwendig.

    • Was erledigt man besser in Hardware und was effektiver in Software?
    Die Beantwortung dieser Frage hängt in erster Linie von den vorhandenen Ressourcen, der möglichen Entwicklungszeit, den Kosten pro Gerät bzw. den (umgelegten) Entwicklungskosten, der technischen Machbarkeit und von der Erfahrung / Spezialisierung ab. Allgemein gültige Aussagen sind hier sehr schwierig zu treffen, da oft eine kleine Schaltung einen enormen Softwareaufwand einsparen kann, aber auch umgekehrt ein paar Zeilen Quellcode die Hardware massiv vereinfachen können. Ein gutes Beispiel sind Filterschaltungen.
    • Welcher Mikrocontroller bzw. welche Architektur?
    Diese Frage wird allzu oft vernachlässigt und man nimmt einfach das, was immer schon verwendet wurde. Natürlich gibt es gute Gründe für diese Strategie, aber manchmal ist ein geschickt ausgewählter Mikrocontroller mit der richtigen Peripherie, ausreichend viel Leistung und guter Software vom Hersteller eine sehr elegante und effektive Lösung für ein Problem und rechtfertigt den Einarbeitungsaufwand.
    • Wie kommuniziert das Gerät mit dem PC / Smartphone / Tablet / etc.?
    Hier muss man sich auch genau die Anforderungen überlegen. RS232 ist praktisch ausgestorben, für USB gibt es mehrere Möglichkeiten wie z.B. einen Mikrocontroller mit USB (für ein kommerzielles Produkt braucht man „offiziell“ eine USB ID…), einen der allseits bekannten Konverterchips (USB auf UART, SPI, I2C...) auf der Platine oder einen UART Pinheader in Kombination mit einem USB-Kabel mit integrierten Konverter). Ethernet ist schon aufgrund der galvanischen Trennung eine interessante Option, darf aber vom Aufwand her nicht unterschätzt werden. Kabellose Techniken, vor allem WLAN und Bluetooth Low Energy (BLE) finden immer weitere Verbreitung und haben sicherlich ihre Vorteile, man sollte die Sicherheit (im Sinne von Safety UND Security) aber nicht ganz vernachlässigen.
    • Wie kommuniziert das Gerät mit dem Menschen (Tasten, Display, Audio…)
    Die Erfahrung zeigt, dass eine rote 7-Segment Anzeige und ein paar Taster im Zeitalter der Multitouch-Smartphones immer weniger akzeptiert werden. In ein gutes Benutzerinterface kann und muss daher oft eine Menge Zeit investiert werden. Hier ist Betriebsblindheit oft das größte Problem, da der Entwickler mit „seiner“ Oberfläche natürlich bestens zurechtkommt, ein neuer Benutzer aber nicht unbedingt dieselbe Erfahrung machen muss.
    • Gibt es eine räumliche Aufteilung der Komponenten?
    Wenn die Einzelteile verteilt sind, sollte man sich die Verbindungen der Komponenten untereinander gut überlegen. Jeder (vermeidbare) Kabel und jeder Stecker ist eine Kosten- und Fehlerquelle und manche Interfaces mögen längere Übertragungsstrecken einfach nicht bzw. benötigen dann besondere Aufmerksamkeit und Zusatzbeschaltung. Diese Probleme kann man manchmal zumindest Teilweise mit einer geschickten Anordnung der Komponenten umgehen. An dieser Stelle kann man auch gleichzeitig versuchen, die Anzahl der Bauteile, die ungünstigen Umgebungsbedingungen (hohe und niedrige Temperaturen, Vibrationen, Schock, Feuchtigkeit, ….) ausgesetzt sind, zu minimieren.

    Wenn man dann am Ende dieses Prozesses (ungefähr) weiß, welche Bauteile wo liegen und wie die Anforderungen ausschauen, kann man tatsächlich im nächsten Schritt mit dem Design der Schaltung anfangen.

  5. Vor allem bei „modernen“ oder portablen Schaltungen mit möglichst geringen Versorgungsspannungen werden gerne Rail-to-Rail Operationsverstärker eingesetzt, um den Versorgungsspannungsbereich möglichst gut auszunutzen. Der Preis für die Rail-to-Rail Fähigkeit ist allerdings hoch – man kann sich damit allerhand Probleme einhandeln.

    Zuallererst muss man sich klarmachen, dass die Ausgangsstufe niemals ganz den Wert der positiven bzw. negativen (wird sehr oft 0V, GND, Masse, … sein) Versorgungsschiene erreichen kann. Je nach Last (und Betriebstemperatur!) braucht auch ein Rail-to-Rail Operationsverstärker einen Spielraum von einigen wenigen mV bis hin zu ein paar 100 mV.

    
    
    

    Besonders interessant ist das Verhalten, wenn der Ausgang über die zulässigen Grenzen betrieben wird, z.B. bei zu großer Verstärkung. Im Idealfall wird der Ausgang sanft in Sättigung gehen. Leider gibt es auch ICs, deren Ausgang bei Überschreiten einer gewissen Grenzspannung hart sättigt, also sprunghaft den Wert der positiven bzw. negativen Versorgungsspannung annimmt. Die Erholung aus diesem Zustand dauert im schlimmsten Fall auch eine gewisse Zeit und führt zu weiteren Signalverzerrungen. Besonders gemein ist, dass derselbe Operationsverstärker mal das eine und mal das andere Verhalten zeigen kann, abhängig von den Betriebsbedingungen.

    Ein weiterer interessanter Effekt sind Verzerrungen durch die Eingangsstufe, bekannt als Input Crossover Distortion. Die Eingangsstufe der allermeisten Rail-to-Rail Operationsverstärker besteht, vereinfacht ausgedrückt, aus zwei Schaltungen, von denen die eine für den unteren und die andere für den oberen Eingangsspannungbereich zuständig ist. Daher gibt es zwangsläufig einen Übergangsbereich, in dem beide Schaltungsteile teilweise aktiv sind und es zu Verzerrungen kommt. Spezielle Typen (No oder Zero Crossover) haben dieses Problem nicht, aber die Hersteller lassen sich dieses Feature gut bezahlen und die Auswahl ist nicht besonders hoch.

    Abschließend bleibt zu sagen, dass wenn sich der Einsatz eines Rail-to-Rail Operationsverstärker nicht vermeiden lässt, besondere Vorsicht geboten ist.