Parasitaire capaciteit & digitale logica

Op 8 oktober 2006 19:25:40 schreef Berry:
...Dat van die busses is nieuw voor me. Ik zie het nut van dat rijgen niet echt in, kan je uitleggen wat het effect daarvan is?

Dat zal zijn ivm reflectie's. Als op 3/4 van de draad een signaal ingestoken wordt, zal het zich naar de uiteinden (minimaal 2, door in ster te werken meerdere, wat het effect vergroot) even snel voortplanten, en aan de uiteinden gereflecteerd worden (tenzij het netjes met de juiste afsluitweerstanden is getermineerd), die reflectie's zullen elkaar op een bepaald punt tegenkomen, en daar interfereren, wat miserie kan geven.

Als je netjes met een lange draad zonder aftakkingen werkt, ene uiteinde getermineerd, andere uiteinde de driver, dan gaat het signaal aan de ene kant de draad in, beweegt zich voort in de draad, en wordt aan het uiteinde niet gereflecteerd (door de juiste afsluiting), daar heb je geen interferentie.

Het is overigens zo dat dit effect overal meespeelt, maar je er bij relatief lage frequentie's gewoon niets van merkt (effect is te klein). Voor de stopcontacten in je huis moet je je er niets van aantrekken :D

(Zoek de fouten in mijn uitleg, ik denk dat voornamelijk dit is. Ik kan maar bijleren.)

@videomodulator. of de knopen en buiken zullen onstaan bij reflektie hangt af van de verhouding frekwentie/lengte draden. zelfs bij 50Hz kan je terdege zware en gevaarlijke reflecties krijgen. Hoogspanningsdistributeurs weten daar alles van.

@free-electron: ooit bij stil gestaan dat een transmissielijk een aaneenschakeling is van spoelen en condensatoren die elkaar opheffen, waardoor het geheel ohms reageert?

Op 8 oktober 2006 23:26:06 schreef jongensenwetenschap:
@free-electron: ooit bij stil gestaan dat een transmissielijk een aaneenschakeling is van spoelen en condensatoren die elkaar opheffen, waardoor het geheel ohms reageert?

Jah hey, enkel bij de resonantiefrequentie.

nee, bij de juiste karakteristieke afsluiting over het gehele frekwentiegebied, anders kon je er niet veel mee aanvangen.

Oke... En die termination bestaat net als bij SCSI uit een spanningsdelertje die de spanning tussen de logische 1 en 0 houd?

Op 8 oktober 2006 15:52:45 schreef free_electron:
...
ik verwacht voor dat bordje ( als de draden geen kiloeter lang zijn ) geen problemen. een 1k naar voeding op alle lijnen op het verste punt van de host en t'zal wel bollen
...

Als FE zegt dat een weerstandje van 1K genoeg is, geloof ik dat. Die thevenin dinges, is voor langere draden en hogere snelheden, ook moet je bij SPI dacht ik pull-ups gebruiken, dus mag je die thevenin terminatie niet gebruiken.

Op 8 oktober 2006 23:26:06 schreef jongensenwetenschap:
@videomodulator. of de knopen en buiken zullen onstaan bij reflektie hangt af van de verhouding frekwentie/lengte draden. zelfs bij 50Hz kan je terdege zware en gevaarlijke reflecties krijgen. Hoogspanningsdistributeurs weten daar alles van.

@free-electron: ooit bij stil gestaan dat een transmissielijk een aaneenschakeling is van spoelen en condensatoren die elkaar opheffen, waardoor het geheel ohms reageert?

1) juist. ook op hoogspanningsnetten zien ze nogal een rare dingen ...

2) jep . en waar denk je dat die 'ohms' vandaan komen ?

Op 8 oktober 2006 20:37:25 schreef Videomodulator:
[...]
Dat zal zijn ivm reflectie's.

jep.
de miserie van digitale signalen is dat je met blokgolven werk. en een blokgolf kan je uiteenrafelen als een som van sinussen met verschillende frequenties ( die kerel van de gelijknamige koekjes : 'petit-fourier' heeft dat eens uitgevlooid ).

het probleem is dat al die frequenties een andere impedantie zien. door verschillende lengtes van draad keren al die reflecties van al die verschillende sinussen op een ander punt in tijd terug en intermoduleren met elkaar. en dat is nu precies wat samen met de inductie en lekcapaciteit ( die afgestemde kringen vormen ) voor overshoot , undershoot , ringing en nog meer miserie veroorzaakt.

hoe steiler de flank van je blokgolven ( digitale signalen ) hoe erger de boel wordt ( google een naar 'dirac impulse' das een oneindig hoge impulsspanning met een tijd die bijna, maar net niet , nul is : zeer kort dus. das trouwens het meetprincipe achter een TDR. je zend een geweldig kort puls ( denk in de riching van picoseconden ) met een relatief hoge spanning ( 2 a 3 volt stap, en das al heel veel hoor. de energie die daarbij gepompt wordt door de drivertrap om dat zo snel te laten stijgen is de moeite . stijgtijden van 100 kilovolt per microseconde ... of te 1000 gigavolt per seconde in 50 ohm ... dat zijn geen normale 'opampjes' die dat doen) en je analyseert al de reflecties die terugkeren en karakteriseert zo je verbindingen tussen meetapparaat en te meten object. het fijne weet ik er ook niet van. ik gebruik dat toestel alleen maar. de wiskunde blijft verborgen. voor de 'user' is het een oscilloscoop. maar dan wel ene die verschrikelijk nauwkeurig in tijd kan meten ( eye diagrammas en phase shift en jitter en dergelijke in het Gigahertz gebied )

enfin we wijken weer af.

om het 'gras' af te rijden van een digitaal signaal ( het 'gras' is overshoot en undershoot.) moet je dus termineren.

dit is dus een circuitje wat al die slingeringen gaat onderdrukken.

heel veel baat volgt al bij het onderdrukken van 1e en 2e harmonische de energie in de rest is veelal te laag.
trouwens de TTL chpis en cmos chips hebben geen oneindige stijgtijd aan hun uitgang en snelle chips hebben aangepaste uitgangstrappen die veelal al dempen ( ze kunnen gecontroleerd de driver uitschakelen. een truuk is de volgende. : schakel 2 stroombronnnen parallel . ene van 10mA en ene van 1 ma. als 3/4 van de volle uitslag bereikt is schakel je die van 10mA af ( je bent dan namelijk als de 'drempel' van detectie (Vihmin of VilMax) gepasseerd. daardoor rond je de top of het dal ( de drempels voorbij ) mooi af. : weg harmonischen en weg veel van de reflecties.

tis complexe materie.

ik mis nog 1 belangrijke hint, de massaverbinding moet doorgaand zijn. Dit soort 'hoogfrequente' signalen gedraagt zich zo dat de retourstroom(door de massa) de zelfde weg loopt als de de heengaande stroom (als ze de kans krijgt). Werk je met massavlakken, dan proberen de SPI-verbindingslijnen van een doorgaand vlak te voorzien.

Ik heb ooit eens een layout mogen re-designen van een ex-collega die verteld was dat er zoveel mogelijk massavlakken op de print moesten zitten, en dat had-ie natuurlijk goed gedaan :-(. Probleem was echter dat de retourstroom van de SPI-bus die op de print zat, via verschillende massa's op het substraat van een A/D-omzetter terechtkwam (doordat de A/D-omzetter enerzijds aan de analoge massa hing en anderzijds aan de digitale massa) Zolang de SPI zweeg had ik nauwelijks ruis op de A/D omzetter, als deze brulde, had ik 5 bits ruis op een 16 bit A/D omzetter. De tijdelijke oplossing was om de analoge en digitale massa onder de A/D omzetter aan elkaar te knopen, de definitieve in het re-designen van het board.

Op 9 oktober 2006 18:11:29 schreef DC2PCC:
ik mis nog 1 belangrijke hint -snip-

elementary my dear watson zou sherlock zeggen , maar voor alle anderen : inderdaad alle uitgaande stromen MOETEN over hun aardvlak of massavlak (eigenlijk een slechte term.) terugkeren. een stroom die vertrekt voor digitaal en terugkeert aldoor het massavlak is miserie vragen. je cross-contaminated de ganse bollenwinkel.

nog iets heel belangrijk : door afscherming ( shielding ) mag GEEN stroom lopen. anders verandert die afscherming in een geweldige straler ( zendantenne )

dus in het geval van die audio IC :

vanaf de grondpoot van de versterker (dat chippie zal wel een AGND hebben ) een vlak voor de analoge bollenwinkel. en een 2e vlak die shielding doet rond de uitgaande audio. ik weet niet hoe laagohmig die uitgangen zijn ( je zal daar wel geen laagohmige speaker mee kunnen sturen. dus ik gok op iets van 500 ohm a 1 kilohm uitgangsimpedantie ). in dat geval : van die AGND een paar dikke banen rond die 2 signaalvoerende lijnen.
de andere kant laat je open. door die 'shieldbanen mag geen stroom lopen. dus ook de retour van de koptelefoon niet. hmm krakkemikkerige uitleg. kzal een tekeningske proberen maken en posten als ik vanavond eens 2 minuten tijd heb

Dus vanaf het massavlak brede sporen langs de signaallijnen en aan de andere kant open laten. De common van de koptelefoon krijgt een ander draadje. Got it :)

Jullie hebben het over een appart massavlak voor analoog. Klinkt wel logisch aangezien die chip een apparte analoge en digitale ground heeft, maar in de sheet (http://www.vlsi.fi/datasheets/vs1011.pdf connection diagram op pagina 16) staat toch duidelijk: "Connect AGND to GND as close to the chip as possible".

Ik hoorde dat een weerstand in de clock lijn van de SPI bus ook wel voldoende zou zijn tegen het interferen van reflecties?

Op 10 oktober 2006 15:06:28 schreef Berry:
Jullie hebben het over een appart massavlak voor analoog. Klinkt wel logisch aangezien die chip een apparte analoge en digitale ground heeft, maar in de sheet (http://www.vlsi.fi/datasheets/vs1011.pdf connection diagram op pagina 16) staat toch duidelijk: "Connect AGND to GND as close to the chip as possible".

inderdaad, anders krijg je storingen in je analoge chip.
in de chip zijn de analoge en digitale ground nl. aan elkaar geknoopt via het substraat. Als je twee grounds hebt die 'ergens' aan elkaar hangen, kan een digitaal signaal 'besluiten' dat de retourweg door het IC (via analoog en digitaal gnd) korter is als via de bedoelde connectie tussen analoog en digitaal GND. Om dit te vermijden zegt de fabrikant dat je verbinding tussen analoog en digitaal gnd zo dicht mogelijk bij de chip moet liggen, juist om digitale retoursignalen uit (het analoge deel van) de chip weg te houden.

aparte analoge en digitale grounds zijn een noodzaak als je op extreme frekwnenties draait of met grote stromen zit of met kleinen analoge signalen, en nog zo van die dingen. Voor een bescheiden project maakt het meestal niet veel uit. Als je maar fijn genoeg meet zul je altijd digitale rimpeltjes meten, maar maak de oplossing niet erger dan de kwaal!

Ik gebruik eigenlijk vrijwel nooit gescheiden ground planes.
De juiste plaatsing en routing van de componenten, dat is het geheim.
Vorige week was ik op de signal path seminar van National Semiconductor en daar vertelde men ook dat voor high-speed board een gescheiden ground plane niet gewenst was in verband met de hogere emissie van zo'n gescheiden ground plane t.o.v. een enkele ground plane.
Ik werk nooit met hogere kloksnelheden van 50MHz, maar heb wel de nodige ervaring met low-noise, high current en mixed signal boards, tot dusver heeft alleen de low-noise en de high current ontwerpen bij mij de voorkeur voor gescheiden ground planes, echter de plaatsing en routering zijn vele malen belangrijker.

aha, iemand met dezelfde mening.

Overigens is dit wel een behulpzaam document:

http://www.analog.com/UploadedFiles/Application_Notes/4948960492698455…

Op 10 oktober 2006 19:47:17 schreef Xenobinol:

voor high-speed board een gescheiden ground plane niet gewenst was in verband met de hogere emissie van zo'n gescheiden ground plane t.o.v. een enkele ground plane.

voor groundplanes klopt die grap. juist.
voor shielding layers (of stubs 0gaat die vlieger niet op.

dat aan elkaar koppelen van AGND en DGND. daar moet je mee opletten.
ALTIJD de raadgeving in het datasheet volgen.

een voorbleed : een chip heeft een DVcc en Dgnd , een AVCC en AGND en nog ergens een een andere AVCC en AGND.

het kan zxijn dat die twee AVCC's , desondanks dat ze beiden 3.3 volt moeten hebben NIET aan elkaar mogen hangen.
praktisch voorbeeld. ene line driver bijvoorbeeld. dat ding heeft verschillende voedingen ( allemaal 5 volt ) . ene voor de grote nesy digitaal. ene voor de transmit preamp ( grote voltage gain , low current ). en voor de transmit driver ( lage voltage gain ( zelfs unity gain), maar zeer grote current gain. ): die bounced de rails tot in hottentottenland. en dan zit er nog een recieve path : twee low current gain stages , maar ene die x10 doet om het signaal uit de ruis te peuteren en dan een volgende x50 om het verder te verwerken. al die voedingen MOETEN gescheiden zijn ( ferritkralen , getunede ontkoppeing ( de truuk '100nF' is geneog gaat niet op. je moet zoever gaan als dit MOET een C0G zijn met die en die werkspanning en tralalie tralala. ( en alleen de geproduceerde noise op de rail analyseren helpt daarbij )

dae gronden aan elkaar knopen is een nachtmerrie ( en het zijn ALLEMAAL AGND's) . als je ene verbinding verkeerd hebt dan pikt de grondlijn van die gevoeligste preamp de rotzooi van de TX preamp op. . ditto voor de shielding knoop in de receive kant. daar is ettelijke maanden aan gepuzzeld en gemeten en een 15 tal board layouts om uiteindelijk ene te hebben die het onderste uit de kan haalt

Substraatstromen kunnen dodelijk zijn voor performantie. voor sommige circuits IS er helemaal geen verbinding via het substraat. en ISO barrier kapt het stuk silicium in twee. een voorbeeldje is bijvoorbeeld de PLL die in de MAX II fpga's zit. das echt een geisoleerde grond. precies om geen overspraak te krijgen. alleen twee antiparallele blocking diodes knopen die aan elkaar ( en das voor ESd protectie )

ik en nog een goed voorbeeld waar je alle grounds gescheiden moet houden omdat de output zéér klein is en analoog en het aansturen met flinke pulsen gebeurt en nog snel ook: CCD's

Op 10 oktober 2006 19:47:17 schreef Xenobinol:
Ik gebruik eigenlijk vrijwel nooit gescheiden ground planes.
De juiste plaatsing en routing van de componenten, dat is het geheim.

Inderdaad, het IS makkelijker alles op 1 groundplane te zetten, en vervolgens met plaatsing en routing de boel netjes te houden, maar als je in een ontwikkelteam zit, waar 4 van de 5 ingenieurs verschillende gescheiden groundplanes preken en er 1tje is die liever 1 groundplane heeft, zal de print toch met gescheiden groundplanes worden opgebouwd.

Wat overigens in digitale logica ook nog wel eens helpt om de boel 'schoon' te houden is een powerplane en een groundplane in het midden van de print. Alle IC's krijgen een ontkoppel-C. Deze ontkoppel-C wordt via 2 sporen die NIET in de ground/power liggen met de voeding van het IC verbonden. Op de plaats van de ontkoppel-C vind de verbinding met de ground en powerplanes plaats. Ofwel 2 via's, ofwel de 2 gaatjes van de ontkoppel-C.

Zo WEET je exact waar de HF-stromen lopen (tussen ontkoppel-C en IC, in de geplande sporen)

Op 11 oktober 2006 22:41:19 schreef jongensenwetenschap:
ik en nog een goed voorbeeld waar je alle grounds gescheiden moet houden omdat de output zéér klein is en analoog en het aansturen met flinke pulsen gebeurt en nog snel ook: CCD's

Juist !. die dingen zijn een nachtmerrie om ruisvrij te krijgen. das ook de reden waarom tegenwoordig de CCd's een digitzer aan boord hebben en digitala naar buiten komen.
alleen nog een externe tank condensator hangen die de intenre AGND dot en zorgen dat je een gescheiden spanning hebt voor analoog. de moeilijke dingen zijn al in de chip gedaan.

Taiyo yuden en TDK hebben daarvoor nu speciale 10050 verpakking ( de helft van een 0201 ofte 1 kwart van een 0402 smd verpakking ) en dat is ECHT STOF die componentjes.

Op 8 oktober 2006 02:08:26 schreef jongensenwetenschap:
(darom vroeg ik naar het niveau van je analoog signaal)

Heb het even gemeten. Op max volume heb je wel uitschieters richting de 1Vtt. Gemiddeld zit het zo rond de 0,2-0,4Vtt

BTW: Als ik het volume mute hoor ik een toontje van een paar kHz, heel irritant. Dit zal dan die overspraak zijn? Het rare is dat het alleen bij het rechter kanaal lijkt te zitten. Er zijn 2 apparte analoge voedingslijnen, voor elk kanaal 1? Moet ik deze dan ook elk appart ontkoppelen?

[Bericht gewijzigd door Berry op ]