capslock schrieb: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.
