Aurora: Signalführung Analogteil

[MK_Sounds]

Hallo zusammen,

da ich nun auch Besitzer eines freeDSP Aurora bin, habe ich mir die Hardware etwas genauer angeschaut und bin auf ein paar Ungereimtheiten gestoßen. Punkt 1 ist im Grunde ein Komfort-Feature und verzichtbar. Punkt 2 und 3 meiner Meinung nach schlicht ärgerliche Designfehler, die bei einem Kaufprodukt nicht passieren dürfen.

Spannungsversorgung analoger Ausgang nicht abtrennbar:
Die Spannungsversorgung der Ausgangsbeschaltung/Buffer des DAC hängt wohl auch fest auf +5VA. Die Verstärkung im Ausgang ist damit nicht änderbar (z.B. auf PA-übliche Pegel). Warum keine extra Klemme (die im default Zustand auf +5VA gebrückt ist) für die Versorgung des analogen Ausgangs vorgesehen wurde, ist mir schleierhaft. Für eine Erhöhung des Ausgangspegels müsste man nochmal eine Stufe z.B. per AddOn dahinterschalten.
Abtrennung der Analogmasse:
Für die analogen Schaltungsteile (ADC, DAC und zughörige Eingangs-/Ausgangsstufen) wurde zwar eine eigene Spannungsversorgung verwendet (+5VA), aber keine eigene Masse, die dann an einem Punkt sauber zusammengeführt wird?! Die Massen der Analogteile von ADC und DAC hängen wie mir scheint direkt an der allgemeinen Masse (GND). Im Datenblatt z.B. des AK4458 steht wie die digitale und analoge Masse geführt werden müssen (im Endeffekt wie bei jedem anderen ADC/DAC eben auch).
Auf den AddOns (geprüft bei AddOn D) liegt Pin 1 der XLR-Buchsen (Schirm) auf der Schaltungsmasse (GND) der kompletten Platine :confused:
Zu diesem Thema dürfte eigentlich das AES48 Paper bekannt sein:
https://www.aes.org/standards/comments/drafts/aes48-xxxx-190121-cfc.pdf
Alternativ die Ausführungen von Rane:
https://www.ranecommercial.com/kb_article.php?article=2107


Ich bitte um Prüfung/Bestätigung der angeführten Punkte und Vorschlag ggf. möglicher Korrekturmaßnahmen.

[JFA]

Abtrennung der Analogmasse:
Für die analogen Schaltungsteile (ADC, DAC und zughörige Eingangs-/Ausgangsstufen) wurde zwar eine eigene Spannungsversorgung verwendet (+5VA), aber keine eigene Masse, die dann an einem Punkt sauber zusammengeführt wird?! Die Massen der Analogteile von ADC und DAC hängen wie mir scheint direkt an der allgemeinen Masse (GND). Im Datenblatt z.B. des AK4458 steht wie die digitale und analoge Masse geführt werden müssen (im Endeffekt wie bei jedem anderen ADC/DAC eben auch)


Ich kann mir jetzt gerade nicht das Layout anschauen, aber bevor ich es später wieder vergesse, mache ich mich am besten jetzt bei allen möglichen Elektronikentwicklern unbeliebt: diese Empfehlung, Analog- und Digitalmassen aufzutrennen, ist Blödsinn. Zumindest, wenn man
a) eine durchgehende Kupferfläche als GND hat und
b) man die Rückstrompfade des Digitalteils über diese Kupferfläche nicht direkt unter dem Analogteil langführt.

Wenn sich dann irgendwann der Sturm der Entrüstung gelegt hat (und ich mehr Zeit habe), schreibe ich dazu vielleicht auch noch eine detaillierte Erklärung.

[Micha_HK]

Hallo Markus,

zu 1: Ja, höherer Pegel wäre wünschenswert, die +6dB waren jedoch in der Produktbeschreibung angegeben
zu 2: Hat mal jemand SINAD oder so von dem Board gemessen? Dann würde man wissen, ob es überhaupt (großen) Verbesserungsbedarf gibt
zu 3: Das lässt sich einfach beheben, wenn man die Massen im Flachbandkabel auftrennt und gesondert auf einen Sternpunkt führt

btw. die Schaltpläne und Layouts sind frei zugänglich und man kann sich vor dem Kauf informieren.

VG
Michael

[rkv]

Vorschlag ggf. möglicher Korrekturmaßnahmen.

Selber entwickeln? Eigenes Addon bauen? Deswegen tauchen da so Dinge wie DIY und Open Hardware auf... ;)

[MK_Sounds]

[/LIST]
diese Empfehlung, Analog- und Digitalmassen aufzutrennen, ist Blödsinn. Zumindest, wenn man
a) eine durchgehende Kupferfläche als GND hat und
b) man die Rückstrompfade des Digitalteils über diese Kupferfläche nicht direkt unter dem Analogteil langführt.
Blödsinn sicherlich nicht, in manchen Fällen mag es nicht unbedingt notwendig sein. Ist aber trotzdem gängige Praxis und schadet nicht.


zu 3: Das lässt sich einfach beheben, wenn man die Massen im Flachbandkabel auftrennt und gesondert auf einen Sternpunkt führt
Da kam mir eher eine andere Lösungsmöglichkeit in den Sinn, bei der die Versorgungsmasse direkt aufs Gehäuse/PE gelegt wird.
Habe mal sehr rudimentär in Visio einen vermutlich üblichen Aufbau (alles balanced verdrahtet) skizziert:
65681
Der Eingang/Mischpult ist kein Problem, da sowieso per DC versorgt (floating).
Die Gehäuse von DSP und den Amps liegen nahe der 230V-Zuleitung auf PE.
Der GND der DC-Versorgung des Aurora (Ausgang Netzteil) liegt direkt mit auf dem Sternpunkt. Auf dem AddOn werden dann die Schirme von In und Out gemeinsam an einem Punkt auf das Gehäuse gelegt. Die GNDs auf dem AddOn werden dort nicht verbunden.
Die Amps haben beide einen Ground Lift.
Wäre das nicht die einfachste und sauberste Umsetzung nach AES48? Was meint ihr dazu?

[JFA]

Blödsinn sicherlich nicht, in manchen Fällen mag es nicht unbedingt notwendig sein. Ist aber trotzdem gängige Praxis und schadet nicht.

"Gängige Praxis" ist es auch, an alle möglichen ICs möglichst verlustarme Kondensatoren zu klemmen. Das ist Blödsinn im Quadrat, weil keiner drüber nachdenkt.

Die Trennung von Digital- und Analogmasse schadet im besten Fall nicht, ansonsten sorgt sie für eine höhere Induktivität der verschiedene Stromschleifen des (mit hohem di/dt arbeitenden) Digitalteils, und DAS sorgt für MEHR Störungen.

[rkv]

Dazu gibt es irgendwo von Analog Devices eine Ausgabe von Rarely Asked Questions, dort wird das im Detail erklärt, warum getrennte Masseflächen Blödsinn sind, insbesondere, wenn mehrere ADC- und DACs Chips involviert sind. Unter welchem Chip soll denn dann die Masse zusammengeführt werden? ADC oder DAC?

Wobei ich zugeben muss, dass ich mir über die Kondensatoren habe ich auch noch nicht nachgedacht. Einfach 100nF an jeden Spannungsversorgungspin und fertig. Macht man halt so. Darüber denkt man erst nach, wenn Jochen um die Ecke kommt... :D

[capslock]

Das ist genau der Punkt, mehrere analoge Chips, wobei ich auf analogen Eingang verzichten könnte. Wichtiger ist es, dass kein digitalen oder hohen analogen Ströme durch den Groundplanebereich zwischen Referenzpunkt des Instrumentationsverstärkers und des ADCs bzw. zwischen Referenzpunkt des DAC und der symmetrischen Ausgangsstufe fließen.

Das mit der lokalen Entkoppelung durch Kondensatoren hatten wir schon mal mit Jochen, weiß nur nicht mehr wo. Grundsätzlich ist es eine gute Idee, wenn digitale ICs nicht mit ihrer Versorgungsleitung und ihrer Masseverbindung rumwedeln können. Gerade bei HC und AC-Logik sind beim Umschalten beide Ausgangstransistoren kurzzeitig gleichzeitig leitend, was üble Stromspitzen auf der Versorgung macht. Wenn ein Kondensator diese Ströme möglichst lokal kurzschließt, ist das erstmal prima. Natürlich fließt dieser Strom meist über die Groundplane, deshalb sollten da keine analogen Massen sein. Und versorgungsseitig weg vom Kondensator kann man noch eine kleine Drossel oder einen kleinen Widerstand vorsehen. Natürlich kann der Kondensator in unglücklichen Fällen auch mit dem IC einen resonanten Schwingkreis bilden. Das muss man ausprobieren oder ggf. einen kleinen Serienwiderstand zwischen IC und Stützkondensator vorsehen.

Bei bipolar versorgten Op-Amps (die im Aurora nicht vorliegen) wird man normalerweise einen Kondensator zwischen die Versorgungspins setzen, der dann natürlich gar keine Masseverbindung hat. Bei Douglas Self kann man nachlesen, dass der NE5532 munter intern vor sich hinschwingt, wenn der Kondensator fehlt. Das sieht man nichtmal unbedingt mit dem Oszi, erkennt es aber an deutlich gestiegenen Verzerrungen. Nur wenn es eine niederohmige Last gibt, kann man sich überlegen, ob man geteilte Kondensatoren mit kurzer Masseverbindung zur Last macht. Das könnte etwa ein niederohmiger Spannungsteiler für die Verstärkungseinstellung sein. Nur muss man sich dann überlegen, was für Ströme wo fließen und ob der Massepunkt der Gegenkopplung noch die gleiche Masse wie das Eingangssignal sieht.

[JFA]

Dazu gibt es irgendwo von Analog Devices eine Ausgabe von Rarely Asked Questions, dort wird das im Detail erklärt, warum getrennte Masseflächen Blödsinn sind

Cool! Ich hatte vorhin nochmal ein wenig in den Datenblättern von AD gestöbert, und da sind ja relativ wenige bis gar keine Layouthinweise. Hatte mich schon gewundert. Aber dann geht das ja scheinbar voran.


Wobei ich zugeben muss, dass ich mir über die Kondensatoren habe ich auch noch nicht nachgedacht. Einfach 100nF an jeden Spannungsversorgungspin und fertig. Macht man halt so. Darüber denkt man erst nach, wenn Jochen um die Ecke kommt... :D

:D:D:D

Normalerweise ist das auch kein Problem bzw. es fällt nicht auf. Und in Analogschaltungen mit OPs ist das auch nochmal ein eigenes Thema, weil man da durch einen zu "langsamen" Kondensator die Phasenreserve aufbrauchen kann. Bei Digitalschaltungen kann es dafür über die EMV-Konformität entscheiden. Meistens nicht schlimm, weil man ja sowieso noch genug Filterbausteine draufbaut. Ob man die wohl noch bräuchte, wenn man es gleich richtig macht?

[capslock]

Und wie macht man es richtig? Eigentlich bräuchte man entweder Kondensatoren mit eingebautem Serienwiderstand oder dreibeinige Kondensatoren, die zum IC und zur Versorgungsspannung einen Serienwiderstand oder eine kleine "lossy" Drossel haben.

[MK_Sounds]

Jetzt weiß ich wieder, warum ich die unsinnigen Analogsignale auf den Weg zwischen Amp und LS beschränke :D
Würde vorschlagen wir beschäftigen uns mit dem was noch zu ändern ist, bevor wir noch weiter vom Thema abkommen:


Da kam mir eher eine andere Lösungsmöglichkeit in den Sinn, bei der die Versorgungsmasse direkt aufs Gehäuse/PE gelegt wird.
Habe mal sehr rudimentär in Visio einen vermutlich üblichen Aufbau (alles balanced verdrahtet) skizziert:
65681
Der Eingang/Mischpult ist kein Problem, da sowieso per DC versorgt (floating).
Die Gehäuse von DSP und den Amps liegen nahe der 230V-Zuleitung auf PE.
Der GND der DC-Versorgung des Aurora (Ausgang Netzteil) liegt direkt mit auf dem Sternpunkt. Auf dem AddOn werden dann die Schirme von In und Out gemeinsam an einem Punkt auf das Gehäuse gelegt. Die GNDs auf dem AddOn werden dort nicht verbunden.
Die Amps haben beide einen Ground Lift.
Wäre das nicht die einfachste und sauberste Umsetzung nach AES48? Was meint ihr dazu?

[JFA]

Und wie macht man es richtig? Eigentlich bräuchte man entweder Kondensatoren mit eingebautem Serienwiderstand

Eigentlich genau so. Glücklicherweise haben Kondensatoren schon einen eingebaut, nur ist der bei keramischen besonders klein und damit unnütz.

Lass mich ein wenig ausholen. In digitalen Schaltungen werden Kondensatoren direkt an den Versorgungsspannungen eingesetzt, um Rückwirkungen auf die Betriebsspannung zu vermeiden. Damit übrigens gerade ein anderer Grund, warum die in Analogschaltungen eingesetzt werden. In diesen geht es darum, die Grenzfrequenz der Spannungsversorgung zu erhöhen. Die ist nämlich ein Tiefpass und dreht somit zusätzlich zu den OP-internen Tiefpässen nochmals an der Phase, und dann kann es dazu führen, dass in gegengekoppelten Schaltungen die Phasenreserve nicht mehr reicht und die Schaltung anfängt zu schwingen.
Zurück zu digitalen Schaltungen. Dort werden ständig Leitungen auf High oder Low gesetzt. Jeder dieser Umschaltvorgänge erfordert kurzfristig Energie (auch Leistung genannt), und diese wird durch den Abblockondensator bereitgestellt. Anderenfalls würde die Versorgungsspannung im Takt der Schaltereignisse schwanken.

Jetzt halten wir einmal kurz inne und überlegen, was denn daran schlimm sein könnte?
1.) Ein funktionales Problem: werden die Schwankungen zu groß, können andere Schaltungsteile nicht mehr gut funktionieren. Und Analogschaltkreise, deren Betriebsspannung aus der gleichen Versorgung abgeleitet werden, müssten, je nach Anforderungen an die Präzision stärker gefiltert werden
2.) Leistung ist nicht nur Spannung sondern auch Strom, und würde man die Spannung ungefiltert von "draußen" beziehen, könnte man wegen der dann unvermeidlichen Aussendungen mit den gängigen EMV-Standards in Konflikt geraten. Wir reden hier noch gar nicht über common mode, sondern das ist differential mode. Auch der kann Ärger machen.

Ich sage dazu:
1.) wenn es "funktioniert", warum sollte man sich dann darum kümmern?
2.) wer ohne Eingangsfilter arbeitet, und sei es nur ein össeliger Elko, ist selber Schuld.

Aber sei es drum, der Abblockkondensator ist üblicherweise die bessere - weil sicherere - Wahl. Und zwar wegen des folgenden:
Egal, welche Technik in der Digitalschaltung herrscht - TTL oder CMOS - es müssen immer parasitäre Kapazitäten umgeladen werden. Für den "Umschaltstrom" liegen diese Kapazitäten in Reihe zum Abblockkondensator. Heißt: die effektive Kapazität ist sehr klein und wird hauptsächlich von eben diesen parasitären Kapazitäten bestimmt. Und weil wir eine Leiterschleife haben, ist auch noch eine parasitäre Induktivität im Spiel. Das heißt, egal was ihr tut, der wird bei jedem Schaltvorgang angeregt. Und der ist hochfrequent. In modernen Schaltungen so hochfrequent, dass ihr mit einem normalen Tastkopf das schon nicht mehr betrachten könnt, weil dessen Kapazität den massiv verstimmt (Trick: Spitze in die Nähe halten). Dieser Schwingungen sorgen für wirklich ernstzunehmende Störaussendungen, so ab 10 MHz werden die gegenüber den oben angerissenen dominant, erst "leitungsgeführt", dann "gestrahlt" (das sind Begriffe aus der EMV die wunderbar dazu geeignet sind, die wahre Natur zu verschleiern, also vergesst sie möglichst schnell wieder). Um zu beschreiben, was das wirklich passiert, müsste ich jetzt wenigstens etwas Antennengrundlagen, aber eigentlich die Maxwell'schen Gleichungen anbringen; ich lass das besser.

Wie bekommt man die weg? Gar nicht, zumindest nicht ohen funktionale Einbußen. Aber man muss das Pferd ja nur dazu bringen, gerade so unterm Limit zu bleiben. Also muss die Energie in den Schwingkreisen möglichst schnell abgebaut werden. Zum Verständnis hilft da der Gütefaktor. Der ist für Serienschwingkreise Q=1/R*Wurzel(L/C). Der muss verkleinert werden, und dazu gibt es zwei weitestgehend unabhängige Möglichkeiten (das C kann man ja leider nicht so sehr beeinflussen):
1.) das L, also die Induktivität möglichst klein machen. Das ist diese altbekannte Layoutanweisung, die Kondensatoren möglichst nah an den Versorgungspins anzuschließen. Denn je kleiner die Fläche umso geringer die Induktivität. Man kann das ganze noch optimieren, indem man die Traces von und zu den Abblockondensatoren möglichst breit macht. Das gilt übrigens auch für Kondensatoren in Leitungen mit Pull-up, also z. B. I2C, wenn man die denn unbedingt braucht.
2.) das R, also den Verlustwiderstand, möglichst groß machen. Das kollidiert natürlich mit der Forderung, die Schleifenfläche möglichst klein zu machen, aber dazu gibt es ja den Abblockkondensator. Denn die gibt es auch mit nennenswertem Innenwiderstand, die heißen dann halt nicht X7R, sondern z. B. Tantals. Und dabei gilt dann wieder, was ich oben geschrieben habe: wenn es funktioniert, ist es Ok. Ein weiterer Kniff ist, in die geschalteten Leitungen Widerstände, oder, wenn das die Funktion beeinträchtigt, Ferritperlen einzubringen. Meistens reichen schon kleine Widerstände, um das Problem hinreichend zu minimieren.

Ich hoffe, die Idee ist einigermaßen klar geworden. Wenn nicht: fragen.

Oh, BTW: dieses Kaskadieren von Kapazitäten, so 100n, 10n, 1n immer näher ran an das IC, könnt ihr euch auch getrost klemmen:
1.) ein 100n und ein 1n Kondensator in gleicher Bauform und von gleicher Bauart haben den gleichen Innenwiderstand und - weil die Leiterschleife gleich groß wird - auch die gleiche Induktivität. Ihr gewinnt also nichts dadurch, dass der kleine Kondensator nah dran sitzt.
2.) durch die Parallelschaltung schaltet ihr auch mehrere Serienschwingkreise parallel. Viel Spaß mit dem Resultat.
3.) Durch die Parallelschaltung wird der Serienwiderstand kleiner. Ich halte das für keine gute Idee (siehe oben).

Ich wollte noch irgendwas fieses über EMV-Lehrbücher schreiben, habe es aber wieder vergessen. Ist vielleicht auch besser so.

[Sv.n.K]

Das schön von JFA zusammengefasste nur noch mal mit Bildern untermauert:
https://www.murata.com/~/media/webrenewal/support/library/catalog/products/emc/emifil/c39e.ashx
PS: Bin ein großer Fan von den JFA-Posts :)