[Redegle]

Hallo,
ich hätte mal ein paar Fragen zur Masseführung bei größeren Projekten.

Erstmal die Grundlagen.

Jeder Leiter hat eine endliche Admittanz. Das heißt es gibt immer einen ohmschen, sowie einen induktiven Widerstand der Leitung. Wenn ein Strom fließt fällt an der Leitung eine Spannung ab. Hierbei gilt das ohmsche Gesetz. Bei Gleichstrom oder um es präziser auszudrücken, bei einem Stromfluss mit unveränderlichem Strom ist die Induktivität nach wenigen ?Taus (Zeitkonstante: Tau=L/R)? vernachlässigbar klein. Bei einem Wechselstrom ist mit dem komplexen Widerstand zu rechnen.

Das Ziel ist es, die Leitungen so zu verlegen, dass nur der notwendige Strom über diese fließt und kein weiterer.

Bei Schaltungen, welche sehr kleine Spannungen messen ist es also unerlässlich auf eine saubere Masseführung zu achten. Es soll z.B. eine Spannung gemessen werden, welche 10µV über dem GND-Potential liegt. Wenn nun über die Massereferenz ein Laststrom von 1mA fließt und der Leitungswiderstand 1mohm beträgt fällt dort eine Spannung von 1µV ab. Es werden 9µV gemessen. Die Abweichung zwischen realem Messwert und gemessenem Messwert beträgt 10%.

Bei Schaltungen welche mit sehr hohen Frequenzen arbeiten tritt dasselbe Problem auf. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass der Wechselstromwiderstand der Leitung viel größer ist als der ohmsche Widerstand. Somit können schon Ströme im Bereich von wenigen mA mehrere mV Spannungsabfall erzeugen.

Deswegen versucht man ungewollte Spannungsabfälle durch eine Sternförmige Masseanbindung zu vermeiden.

Ich hoffe ich habe Grundlagen richtig erklärt. Wenn nicht bitte ich um eine Berichtigung.

Nun zu meinem Problem.

Wenn ich eine Platine entwerfe, so befindet sich auf dieser die gesamte Schaltung (Netzteil + Analogteil + Digitalteil). Das Netzteil verfügt meistens über einen Referenzpunkt für die Masse. Hiermit meine ich den GND-Anschluss der Spannungsregler. Diesen würde ich als Sternpunkt definieren und alle meine restlichen Bauteile würden ihre Masse von diesem Punk beziehen.

Was mache ich, wenn ich ein modulares System mit 3 Platinen aufbauen möchte?

[Rumgucker]

Heieiei... da steht viel Wahres in Deinem Beitrag. Aber auch etwas viel "Schema F".

Du kannst mit einer sternförmigen Masseführung keineswegs irgendwelche Spannungsabfälle vermeiden. Der Strom fließt ja weiter über die Kupferbahnen zu den einzelnen Verbrauchern. Du kannst bestenfalls mit einer sternförmigen Struktur Beeinflussungen der Verbraucher untereinander behindern.

Platinen und Kabel sind Bauteile und wollen auch so behandelt werden. Man muss also genau wissen, warum man ein Bauteil an eine ganz bestimmte Stelle der Platine setzt. Kein Entwickler käme auf die Idee, stur alle Widerstände auf die linke Seite und alle Kondensatoren auf die rechte Seite der Platine zu setzen.

Auch Leiterbahnen müssen "begriffen" werden. Du musst wissen, welche Ströme fließen und welche Verbraucher ihren Strom über diese Leiterbahn beziehen wollen und wie dieser Strom beschaffen ist.

Eine serielle Verkettung der Verbraucher mit zwei Stromschienen kann manchmal viel besser sein, als eine sternförmige Struktur.

Ohne Schaltplan kann man das keineswegs beurteilen.

[Redegle]

Ich wollte erstmal die Grundlagen zusammenfassen daher kommt das viele "Schema F". Natürlich kann damit nicht immer eine optimale Platine gestalten. Man nehme an, dass auf einer Platine 100 GND-Anschlüsse vorhanden sind. Diese alle an einem Sternpunkt zu versammeln gleicht der Unmöglichkeit. Hinzu kommt noch, dass diese 100 Leitungen sich überall induktiv koppeln.

Natürlich lassen sich Spannungsabfälle niemals vermeiden. Wie du geschrieben hast ist es sehr wichtig, zu wissen warum man welche Leitungen zusammenfasst. Das Ziel sollte es sein eine ungünstige Superpositioniertung mehrerer Ströme zu vermeiden. Es muss also eine Signalleitung von einer Lastleitung oder Versorgungsleitung getrennt werden.

Ein Schaltplan existiert leider nicht. Als ein paar E-Mails vom Forum kamen, erinnerte ich mich irgendwie an D-Amps.
Ich hatte nur mal grob einen Übersichtsplan eines D-Klasse Verstärkers skizziert.
Hierbei dachte ich mir es könnte sinnvoll sein mehrere einzelne Module zu entwerfen. Bei einer Fehlkonstruktion ist nicht alles verloren.

-Netzteil
-Dreieckgenerator
-2 Differentielle Vorverstärker mit einstellbaren Spannungspegeln
-2 Leistungsteile mit Feedbackschleifen

Bei einem solch verteilten Aufbau müssten natürlich alle Platinen ein gleiches Massepotential haben. Hierzu Fehlt mir das Konzept.
Ich möchte auch vermeiden, dass sich auf Grund von langen Leitungen irgendwelche Störungen einkoppeln. Habe hier leider schelchte Erfahrungen gemacht.
Als einzige Lösung sähe ich, einen externen Sternpunkt zu gestalten. Also außerhalb der Platinen. Dies wirkt jedoch meist so "klumpig".
Dann könnte jede Platine mit 2 Massen angeschlossen werden.
Masse 1 ist die Signalmasse.
Masse 2 ist die Leistungsmasse.

Das Problem:
Ich würde eine Bipolare Spannungsversorgung verwenden. Z.B. +/- 2,5V. Wenn an der Masseleitung 0,2V abfallen dann habe ich plötzlich. +2,3V -2,7V.

[Rumgucker]

Wieso existiert kein Schaltplan? Ohen Schaltplan braucht man sich keine Gedanken über irgendwas zu machen...

[Redegle]

Ich könnte Morgen ein Blockdiagramm erstellen. Das sollte für Überlegungen zur Masseführung ausreichen.
Für den Schaltplan fehlt noch die Bauteilauswahl.

Wenn ich so etwas nochmal angehe geschieht dies ganz langsam.
Dann wird Baugruppe für Baugruppe geplant.
Am wichtigsten ist natürlich ersteinmal die Masseführung.
Ohne diese ist jedes Konzept dem Untergang geweiht.

[voltwide]

Du hast sicher selbst schon gemerkt, dass man nicht so einfach einen Satz von Regeln aufstellen kann, der dann stur einzuhalten ist.
Wie Gucki schon anmerkte, muß man die einzelnen Kreise verstanden haben.

Zu Deinem allerletzten Beispiel mit 0,2V Massegefälle:
O,2V Massedifferenz bei 0,1Ohm Erdschleifenwiderstand
erfordern 2A Gleichstrom.

Ich weiss nicht so recht, wie das in der Praxis zustande kommen soll.
Ich würde davon ausgehen, dass die Mehrzahl der Masseanschlüsse
eher Signalmasse sind, von daher Wechselstrom im mA-Bereich
transportieren und nur vernachlässigbare Gleichströme.

Also würde ich annehmen, dass ein beträchtlicher Gleichstrom
aus dem Lautsprecher abfließt, weil die Endstufe selbst eine
entsprechend hohe DC-Offset-Spannung liefert.

[Rumgucker]

Zitat:Original geschrieben von Redegle
Ich könnte Morgen ein Blockdiagramm erstellen. Das sollte für Überlegungen zur Masseführung ausreichen.
......
Wenn ich so etwas nochmal angehe geschieht dies ganz langsam.
Dann wird Baugruppe für Baugruppe geplant.
Am wichtigsten ist natürlich ersteinmal die Masseführung.
Ohne diese ist jedes Konzept dem Untergang geweiht.

Ja... kann ich überall zustimmen.

[Redegle]

Möchten wir ersteinmal das Konzept besprechen oder schon gerade an die Masseführung gehen?

Die beiden Sachen lassen sich nur schlecht trennen. Für das Forum währe es jedoch ordentlicher, wenn wir das Konzept in einem extra Thread besprechen.

[Rumgucker]

Ne.. lass mal besser alles in diesem Thread. Sonst sucht man sich tot.

Zeig erstmal Deine drei Module. Welches tut was und was für Spannungen und Ströme werden benötigt?

[Redegle]

Also als erstes kommt der Leistungsverstärker.



Es wird eine half bridge eingesetzt.
Für den oberen sowie für den unteren Mosfet werden 2 lowside Treiber verwendet. Beide bekommen eine galvanisch getrennte 12V Versorgung und werden über einen Optokoppler angesteuert.

Die Spannungsversorgung für die Operationsverstärker wird über ein Schaltnetzteil zur Verfügung gestellt. Es erzeugt +/-5V. Diese Spannung wird über einen Tiefpass (RC, LC, RC ?) gefiltert und anschließen mit 2 lowdrop Reglern auf +/-2,5V herrabgesenkt.
Ich wollte hierbei eine Signalmasse und eine Leistungsmasse verwenden.
Die Signalmasse dient nur als Referenpunkt für das Massepotential.
An die Leistungsmasse werden alle Stützkondensatoren angebracht.

Bei der Spannungsversorgung für den Leistungsteil bin ich mir noch unsicher. Im Endeffekt hängt dies davon ab, welche Taktfrequenz ich verwende und welchen Rippel ich mir auf dem Endsignal erlaube.

2x 12V galvanisch getrennt. Den notwendigen Strom kann nur schätzen sollte aber nicht mehr als 100mA sein.
1x +/-5V 70mA. (Komparator + Ops für Feedback)
1x +/- xxV mehrer A


Die anderen Module muss ich später noch Zeichnen.

[Rumgucker]

Optokoppler sind keine besonders schnellen Gebilde. Wenn die Photonen erstmal den Empfangstransistor überflutet haben, dann gehts in die Vollen. Es gibt zwar schaltungstechnische Möglichkeiten, um derartige Sättigungen zu mindern, aber umhauen tut einer der Speed trotzdem nicht.

Beim D-Amp bestimmen die minimal erreichbaren Schaltzeiten direkt die Aussteuerbarkeit. Bei einem normalen D-Amp sollten 100 ns erreicht werden. Welcher Optokoppler soll das schaffen?

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Als nächstes steh ich mit Deinen Spannungen auf Kriegsfuß. Richtig ist, dass es eine postitive und eine negative Spannungsversorgung gibt. Der low-side-Treiber des N-MOSFETs muss auf dessen Source (= die negative Spannung) bezogen sein, der high-side-Treiber auf den Source des high-N-MOSFETs, also den linken Anschluss des Tiefpasses.

Die positive Versorgung des lowside-Treibers wird aus einem 12V-Netzteil genommen, dessen negativer Pol mit der negativen Powerspannung verbunden ist.

Die positive Versorgung des highside-Treibers wird - üblicherweise - mit einer bootstrap-Schaltung gewonnen und bedingt keinerlei extra Netzteil.

Mit Vorteil verwendet man einen fix-fertigen Gate-Treiber, der auch die Totzeiten beeinflussbar und der den Optokoppler-Firlefanz unnötig macht. Da der Gate-Treiber - wie beschrieben - auf die negative Powerspannung bezogen ist, wird man zwischen Komparator und Gate-Treiber typischerweise zwei Transistoren zur Pegelanpassung setzen.

Und damit wäre die Schaltung in eine normale Schaltung überführt, bei der es nur noch eine Komparator- und eine Lautsprechermasse gibt. Ganz konventionell und ganz bewährt. Bei [D]Amperichers[/D] Sunnys Schaltungen kannst Du abgucken.

Klick

[Redegle]

Das "übliche" Konzept ist mir geläufig.

Hierbei wird fast immer ein half bridge Treiber verwendet und die Spannung für den highside Mosfet wird mit einer Boosttrap erzeugt.
Die Nachteile sind folgende:

-Es ist eine Pegelanpassung notwendig ist.
-Es ist eine Boosttrap notwendig. Hierdurch erhöhrt sich die Induktivität
-Die meisten half bridge Treiber sind langsamer als lowside Treiber.

Bitte berichtige mich wenn ich hier falsch liege.


Ein IR2110 wie er hier des öfteren verwendet wird hat eine Einschaltzeiten von 120ns und eine Ausschaltzeit von 94ns. Dazu kommt noch eine Verzögerung vom Komparator und schon sind wir auf 130-140ns und 104-114ns.
Bei lowside Treibern gibt es richtige "Monster" die mehrere Amper schaffen und Schaltzeiten unter 30ns haben.

Wenn es also Optokoppler mit Schaltzeiten unter 70ns gibt, dann ist der Ansatz mit 2 lowside Treibern etwas schneller.

Genau hier setzte ich auf die Entwicklungen verschiedener Halbleiterhersteller im Bereich Optokoppler. Wie bekannt ist, bietet die übliche Technologie mit Photodioden und Phototransistoren physikialische Nachteile. Denn die Geschwindigkeit ist begrenzt.

Analog Devices bietet z.B. sogenannte iCoupler an. Diese Arbeiten mit einem Transformator als galvanische Trennung.
http://www.analog.com/en/interface/digit...index.html

Texas Instruments bietet ISO Koppler an. Diese Arbeiten mit einer kapazitiven Kopplung.
http://focus.ti.com/paramsearch/docs/par...STRY_PGE_T

Als Beispiel möchte ich den ADUM1100ARZ aufführen.
http://de.farnell.com/analog-devices/adu...dp/1226206

Dieser kommt bei 5V Versorgungsspannung an die 21ns Übertragungszeit herran.

Wenn wir diese Technologie mit einem sehr schnellem Komparator + lowside Treiber verbinden. Dann sollten Schaltzeiten im Bereich 50-60ns möglich sein.

Ich hoffe ihr seit mit dabei.

[Rumgucker]

Zitat:Original geschrieben von Redegle
-Es ist eine Boosttrap notwendig. Hierdurch erhöhrt sich die Induktivität

Versteh ich nicht.

[Rumgucker]

Zitat:Original geschrieben von Redegle
Dieser kommt bei 5V Versorgungsspannung an die 21ns Übertragungszeit herran.
Wenn wir diese Technologie mit einem sehr schnellem Komparator + lowside Treiber verbinden. Dann sollten Schaltzeiten im Bereich 50-60ns möglich sein.
Ich hoffe ihr seit mit dabei.

Das würde mich SEHR interessieren!

Bist Du messtechnisch für diesen Bereich hinreichend gerüstet?

[Redegle]

Längerer Weg?
Naja nicht viel.

Da hast du schon recht.

[Redegle]

Zitat:Original geschrieben von Rumgucker

Zitat:Original geschrieben von Redegle
Dieser kommt bei 5V Versorgungsspannung an die 21ns Übertragungszeit herran.
Wenn wir diese Technologie mit einem sehr schnellem Komparator + lowside Treiber verbinden. Dann sollten Schaltzeiten im Bereich 50-60ns möglich sein.
Ich hoffe ihr seit mit dabei.

Das würde mich SEHR interessieren!

Bist Du messtechnisch für diesen Bereich hinreichend gerüstet?

Das freut mich doch das du Interesse hast
Rumgucker hat angebissen

Messtechnich habe ich ein 200Mhz Oszilloskop.
Die Flanken sollte im Grenzbereich liegen.
Die gesamte Anstiegszeit liegt bei ca. 4ns.

[Rumgucker]

Ja. Ich hab angebissen...

Derartige Powerschaltstufen bedingen allerdings eine äußerst gewissenhafte Ausarbeitung der Verdrahtung. Mit Blockschaltbildern ist es da wirklich nicht getan.

Lass uns erstmal eine Schaltstufe durchziehen. Vom Optokoppler bis zum N-MOS. Dabei wird uns die Schaltung schon erzählen, wo sie welche Masseleitung haben will.

[Redegle]

Wenn du auch Interesse an einem modularen Aufbau hast bzw. wenn du denkst das so etwas später funktionieren kann. Dann würde ich folgende Vorgehensweise vorschlagen.

1. Schaltnetzteil +/-5V + 4 mal 12V
2. Dreieckgenerator
3. Leistungsverstärker
4. Schaltnetzteil für Leistungsverstärker
5. Differentielle Eingangsstufe mit Pegelanpassung

[Rumgucker]

Ich habe nur Interesse an einer funktionierenden 50ns-Power-Schaltstufe mit Optokopplern am Eingang ;deal2

[Redegle]

Der Rest muss aber auch passen. Was bringt der schnellste Ferrari mit ner Kuh am Steuer?

Zuerst muss also ein Schaltnetzteil her.
Denke das sinnvollste wird sein einen Abwärtswandler für die +5V zu verwenden. Dieser sollte von 30V bis 6V funktionieren. Dann kann man einen Trafo oder eine kommertielles Schaltnetzteil verwenden.
Wie erzeugt man die -5V am geschicktesten?
Gibt es eine invertierende Abwärtswandlertopologie?

Dann bräuchte ich noch 4 mal 12V.
Hierzu könnte man eine fertige Lösung kaufen.
http://www.reichelt.de/?ACTION=3;ARTICLE...ROVID=2402.
Diese scheint mit 2 Watt jedoch etwas schwach.

Wenige nF Mosfetkapazität und mehrer 100Khz und die Leistung ist schon weg.

Wie ließen sich aus 6V - 30V am besten galvanisch getrennte 12V erzeugen?

Muss mich erstmal in Schaltnetzteil Topologien einarbeiten. Habe bis jetzt nur einen klassischen Abwärtswanlder aufgebaut