24Bit Delta-Sigma ADC-Eingang vor ESD und Überspannung schützen

>Welche Schutzschaltung beeinflusst das Signal am wenigsten?

Direkt am Eingang ein Cap oder ein RC-Filter, wobei du ein spezielles R 
brauchst, welches ESD aushalten können muß. Vom Cap zu den 
Hilfsspannungen +10V und -10V zwei äußerst leckstromarme Dioden, wie zum 
Beispiel die 2N4117A, die du als Diode beschaltest.

Wie sind denn die Eingangsströme und Eingangsimpedanzen von deinem 
24bit-ADC?

Thomas schrieb:
> Welche Schutzschaltung beeinflusst das Signal am wenigsten?

Die ganze Schaltung einschließlich Signalquelle in ein geschlossenes 
Metallgehäuse. ESD muß dann "draußen bleiben".

Ohne genauen Typ des 24 Bit Wandlers wirds nicht gehen. Die Bausteine 
sind zu unterschiedlich bezüglich Eingangsstrom usw.

Gruß Anja

Ist ein LTC2400. Metallgehäuse schützt die nach draußen geführten 
Eingänge eben nicht.
Welcher Kondensator und Widerstand ist als ESD-Schutzbeschaltung 
geeignet?

Wie man den Eingang schützt hängt auch davon ab was da in der Anwendung 
als Signalquelle dran hängen soll. Es macht da schon einen Unterschied 
ob es ein sehr Niederohmiges Thermoelement, oder ein eher hochohmige 
Quelle bis 5 V ist.
Beim Thermoelement könnte man z.B. 2 Antiparallele 1N4007 und einen 
Widerstand zum IC als Schutz nehmen, sonst eher nicht.

Mir kommt ja hier unweigerlich die Frage, warum man nicht in jeder 
Schaltung jeden Knoten noch mal gegen Überspannung schützt.

Sorry, das mußte jetzt sein. ;-)

OK, diese 24bit-Sigma-Delta sind teuer. Volles Verständnis. Aber sie 
liegen ja oft an niederohmigen Quellen, z.B. an einem Termoelement.

Letztendlich hängen die Inputs in einem IC aber auch noch am 
integrierten Schutzdiodennetzwerk. Müßte man mal im Datenblatt finden.



Ulirch schrieb:

> 2 Antiparallele 1N4007

So hätte ich es als Bastler vor 30 Jahren gemacht. Aber, schau mal ins 
Datenblatt der 1N4000, was die für Reaktionszeiten haben.

Thomas schrieb:
> Metallgehäuse schützt die nach draußen geführten
> Eingänge eben nicht.
Du sollst doch die Eingänge nicht nach draußen führen....

Thomas schrieb:
> Welcher Kondensator und Widerstand ist als ESD-Schutzbeschaltung
> geeignet?
Kondensator + Widerstand geht dann nicht (s. Datenblatt).

Bei niedriger Quellimpedanz ginge ein 10uF Kondensator.
Für +/-10V Schutz brauchst Du allerdings sowieso einen Pufferverstärker.
Dort kannst Du dann die üblichen Schutzbeschaltungen einbauen.

Gruß Anja

@Sni Ti:

Tja, Sni Ti, vielleicht baut man noch einen Blitzableiter mit ein.

Beim Übergang von Sperrend zu isolierend ist die "Reaktionszeit" von 
Dioden einfach durch die Induktivität des Gehäuses und der Drähte 
gegeben. So schlimm sind da die 1N400x nicht. Eine Shottkydiode wie 
1N5818 ist da auch nicht schneller. Der Unterschied kommt erst beim 
"Abschalten", also die Erholung nach dem ESD Ereignis.

Ulirch schrieb:

> So schlimm sind da die 1N400x nicht. Eine Shottkydiode wie
> 1N5818 ist da auch nicht schneller.

Ich habe noch mal ein paar Datenblätter gewälzt. Bei der 1N4000 steht da 
sogar überhaupt nichts zu Reaktionszeiten, allerdings die Bezeichnung 
Universaldiode. Da darf man im Grunde überhaupt keine besondere 
Eigenschaft erwarten, außer daß sie Netzfrequenz (und noch ein wenig 
höhere Frequenzen) gleichrichtet.

Möglicherweise ist die Ansprechzeit wirklich schnell, denn sie ist in 
keinem der Datenblätter, die ich fand, aufgeführt. Die Erholzeit ist 
aber bekannterweise lang.

Allerdings verwendet man für ESD-Schutz oft Transildioden, eben wegen 
der Ansprechzeit, nicht wegen der Erholzeit, weil ein 
Spannungsüberschlag eine winzig geringe Anstiegsdauer hat. Die 
parasitäre Induktivität hat man aber dort auch. Mit diesen Dioden hatte 
ich eher Probleme im Bereich Kapazität.

Man kann so einen Überspannungsschutz nur so gut ausführen, wie man 
glaubt, daß es eben geht. Die Schwächen kommen tatsächlich oft erst im 
Prüflabor zum Vorschein, dann darf man nachbessern.

Wilhelm Ferkes schrieb:
> So hätte ich es als Bastler vor 30 Jahren gemacht. Aber, schau mal ins
> Datenblatt der 1N4000, was die für Reaktionszeiten haben.

Was für eine Spannungsspitze könnte denn an einer 1N4007 auftreten, 
bevor die Diode leitet und die Spannung auf ca. 0,7V begrenzt?

Oktoberfestbesucher schrieb:

> Was für eine Spannungsspitze könnte denn an einer 1N4007 auftreten,
> bevor die Diode leitet und die Spannung auf ca. 0,7V begrenzt?

So, ich hab das in Literatur (Hans Lacour, Elektronische Bauelemente) 
noch mal nachgeschlagen. Und zwar, wenn man an die Diode bei geringer 
Stromdichte einen erzwungenen Spannungssprung anlegt, verhält sie sich 
erst mal kapazitiv. Simon, da hast du allerdings recht, mit bloß die 
Sperrschichtkapazität ausräumen. Die Diodenspannung folgt allmählich dem 
Sprung. Ist die Diode schon leitend, verhält sie sich jedoch induktiv. 
Die ist nicht beliebig schnell. Die an der Diode wirkende Gesamtspannung 
steigt schlagartig an, da sich der Widerstand der Bahngebiete nicht 
schlagartig vermindern kann, steht dort. Die Beschreibung geht jedoch 
über viele Buchseiten, das würde hier jetzt den Rahmen sprengen.

Bei ESD hat man eben einen richtig guten Sprung. Spezielle 
(Transil-)Dioden sind wohl in diesen Eigenschaften optimiert, können 
aber auch nicht alles. Meine ehemalige Firma hätte sich die teueren 
Transildioden lieber auch gespart, wenn normale Dioden ausreichten. Denn 
alles war bis auf den Cent hyper-kostensensitiv. Die Geräte mußten am 
Ende der Entwicklung aber die EMV- und Störspannungstests bestehen. Sie 
hatten auch Leitungen nach außen, Meß- und Busverbindungen.

So ein Filter mit herkömmlichen Bauelementen aufzubauen, widerspricht 
oft anderen Dingen, wie z.B. Bauteilanzahl und Layoutfläche, 
Lagerhaltung, Zuverlässigkeit der Baugruppe.

Ich werde noch mal schauen, was der SPICE-Simulator bei der Diode 
ausspuckt. Denn das Meßequipment für sowas habe ich hier nicht.

>Ist ein LTC2400.

Der hält doch +/-10V an seinem Eingang garnicht aus??!!??

>Mit je einem 1nF gegen das Metallgehaeuse ist man die EMV los.

Das ergibt beim Human Body Model einen Spannungsteiler von 100pF zu 1nF. 
Da hast du bei einem 8kV ESD immer noch genug Zerstörungskraft...

>So schlimm sind da die 1N400x nicht. Eine Shottkydiode wie
>1N5818 ist da auch nicht schneller. Der Unterschied kommt erst beim
>"Abschalten", also die Erholung nach dem ESD Ereignis.

Das ist richtig. Einschalten tun beide fast gleich schnell. Aber für 
Sub-Nanosecond-ESD sind beide zu langsam, wegen ihrer Bauform 
(Induktivität). Da gehen nur Cera-Diodes (Epcos), Varistoren (AVX) oder 
Transzorbs in winzigen ESD-Bauformen. Achtung, die bidirektionalen 
Transzorbs sind für Sub-Nanosecond-ESD ungeeigent, da sie rund 5nsec zum 
Durchschalten brauchen!

>Was für eine Spannungsspitze könnte denn an einer 1N4007 auftreten,
>bevor die Diode leitet und die Spannung auf ca. 0,7V begrenzt?

http://www.cliftonlaboratories.com/diode_turn-on_time.htm

Wilhelm Ferkes schrieb:
> Man kann so einen Überspannungsschutz nur so gut ausführen, wie man
> glaubt, daß es eben geht. Die Schwächen kommen tatsächlich oft erst im
> Prüflabor zum Vorschein, dann darf man nachbessern.

Besser ist es, den Schutz gleich passend zu den Anforderungen 
auszulegen.
;-)

Willi W. schrieb:

> Besser ist es, den Schutz gleich passend zu den Anforderungen
> auszulegen.
> ;-)

Ja selbstverständlich, so meine ich das auch. Die Spezifikationen müssen 
z.B. aus dem Lastenheft entnehmbar sein, und dann wählt man was 
passendes. Theorie und Praxis sind nur eben zwei verschiedene Dinge. 
Sonst könnte sich jeder gleich ein EMV-Labor und die Abnahme sparen.

Ausgerechnet bei solchen scheinbar nichtigen Dingen geht in 
Entwicklungslabors ein Löwenanteil an Zeit drauf. ;-)

>Theorie und Praxis sind nur eben zwei verschiedene Dinge.
>Sonst könnte sich jeder gleich ein EMV-Labor und die Abnahme sparen.

Und ich behaupte, daß viele schon mit der falschen Theorie unterwegs 
sind. Was beispielswiese nur mal hinsichtlich des "Pigtailing" so alles 
fabriziert wird, läßt erahnen, daß die meisten Entwickler sich über die 
Theorie niemals wirklich Gedanken gemacht, geschweige denn irgendetwas 
verstanden haben.

Thomas schrieb:
> 24Bit ADC,
> der aber "nur" 2kV HBM ESD aushält. Den Wert möchte ich auf 15kV erhöhen

Ich bin mal gespannt, ob dir nach deiner Schutzbeschaltung noch viel 
Genauigkeit übrig bleibt.
Was willst du damit denn messen?

Elena schrieb:
>>Was für eine Spannungsspitze könnte denn an einer 1N4007 auftreten,
>>bevor die Diode leitet und die Spannung auf ca. 0,7V begrenzt?
>
> http://www.cliftonlaboratories.com/diode_turn-on_time.htm

Wenn ich diese Fotos vom Oszilloskop richtig deute, beträgt die 
Spannungsspitze, wenn die Diode 1N4007 von Sperr nach Leiten umschalten 
soll lediglich ein paar 100mV. Deshalb verstehe ich nicht, warum ich 
teures Geld für eine schnelle Transorb ausgeben soll.

Subnano ESD, Mann mach ne Ferritperle dazwischen. Bei 'nem Wandler für 
den Kiloherzbereich kein Problem.

>Subnano ESD, Mann mach ne Ferritperle dazwischen.

Ferritperlen haben praktisch keine Wirkung bei ESD, weil sie in die 
Sättigung gehen.

Elena schrieb:
> Ferritperlen haben praktisch keine Wirkung bei ESD, weil sie in die
> Sättigung gehen.

Die Perle würde auch nicht gegen ESD schützen, wenn sie nicht in die 
Sättigung gehen würde. Die liegt einfach im Signalweg, jemand ist 
geladen und fasst die Leitung an.
Wir denken uns das als Human Body Model, 100pF, 1500 Ohm und auf 30kV 
aufgeladen. Der Strom steigt dann auf 20A und tschüss kleiner ADC  :-(

Ich habe hier ein Datenblatt von diesen Ferritperlen. Die sind mit 7A 
spezifiziert. Ich kann aber im Moment nicht sagen, ob das die 
Stromtragfähigkeit des Drahtes sein soll, oder die Magnetische Sättigung 
des Ferritmaterial erreicht ist.

>Ich habe hier ein Datenblatt von diesen Ferritperlen. Die sind mit 7A
>spezifiziert. Ich kann aber im Moment nicht sagen, ob das die
>Stromtragfähigkeit des Drahtes sein soll, oder die Magnetische Sättigung
>des Ferritmaterial erreicht ist.

Ich habe mal in meinem Archiv gekramt...

Oktoberfestbesucher schrieb:
> Elena schrieb:
>> Ferritperlen haben praktisch keine Wirkung bei ESD, weil sie in die
>> Sättigung gehen.
>
> Die Perle würde auch nicht gegen ESD schützen, wenn sie nicht in die
> Sättigung gehen würde. Die liegt einfach im Signalweg, jemand ist
> geladen und fasst die Leitung an.
> Wir denken uns das als Human Body Model, 100pF, 1500 Ohm und auf 30kV
> aufgeladen. Der Strom steigt dann auf 20A und tschüss kleiner ADC  :-(
>
> Ich habe hier ein Datenblatt von diesen Ferritperlen. Die sind mit 7A
> spezifiziert. Ich kann aber im Moment nicht sagen, ob das die
> Stromtragfähigkeit des Drahtes sein soll, oder die Magnetische Sättigung
> des Ferritmaterial erreicht ist.

ABER - richtig ausgewählte Ferrite sind eh verlustbehaftet und 
reduzieren nebenbei auch die Anstiegsgeschwindigkeit des Signals nach 
dem Ferrit, wenn da ein C dranhängt. Nun läßt sich das recht gut mit 
Varistoren und Transzorbdioden verbinden und so ein guter Grob- und 
Feinschutz bauen, der auch den vielen Bits im Wandler nicht sonderlich 
im Wege steht....

Bei geschickter Wahl von Ferrit, C und den Ableitern stehen sich 
maximale Frequenz, die den AD erreichen soll nicht mit der 
Filterfrequenz im Weg...

Grüße

MiWi

Oktav Oschi schrieb:
>>Wir denken uns das als Human Body Model, 100pF, 1500 Ohm und auf 30kV
> aufgeladen. Der Strom steigt dann auf 20A und tschüss kleiner ADC  :-(
>
>
> Nee. ein 100nF ueber den Eingang und das ergibt einen kapazitiven Teiler
> 1:1000, diese 30V sollten fast noch durchgehen.

wenn der C und das Layout das schafft. Bei dU/dT von ESD (von 0 auf 4kV 
in 0,5-1ns) spielen die Bauteileigenschaften und das Layout eine 
wesentliche Rolle um die Ladung entsprechend in den 100nF zu bringen.

Siehe dazu auch die Impedanzkurven von div. 100nF -Kondensatoren je nach 
Bauform.... viele (bedrahtete) Kondensatoren verhalten sich bei 
1nS-Pulsen eher induktiv denn kapazitiv....

Daher - Ferrite sind nicht schlecht auch wenn sie recht bald in 
Sättigung geraten.

LTSpice ist (D)ein Freund für diese Analysen.

BTDT...

Grüße

MiWi

Wenn ich mal fragen dürfte, wie genau misst man mit einem solchen ADC? 
Wie viel Aufwand muss in das Signal gesteckt werden (Filter, Mittelwert, 
was auch immer)?


Gruß
Knut

meine Erfahrung:

Rauschfreie Auflösung im einstelligen Mikrovolt-Bereich ist möglich.
Hängt natürlich auch stark von der Messfrequenz ab. Über 1000Hz kann man 
gleich einen 16 Bit Wandler nehmen.
50Hz Netzeinstreuung ist problematisch wenn der Sensor nicht direkt auf 
der Platine sitzt.

Problem ist nicht die Auflösung, sondern die Langzeit-Stabilität.

Werte aus Datenblättern:

Nichtlinearität ADC +-10ppm
1000h Langzeitstabilität Referenz: +-50ppm
Temperaturdrift Referenz: +-5ppm/°C
Genauigkeit Referenz: 0,1% (=1000ppm) !!

Mich würde auch mal interessieren, welche Application eine solche 
Auflösung erfordert.


Knut

Mehr ist besser? ;)
Hier war mal jemand der hat kleine Temperaturänderungen bei chemischen 
Reaktionen gemessen.

Knut schrieb:
> Mich würde auch mal interessieren, welche Application eine solche
> Auflösung erfordert.
In der Wägetechnik braucht man das locker.

Thomas K. schrieb:
> Werte aus Datenblättern:
>
> Nichtlinearität ADC +-10ppm
Kann man beim LTC2400 prima linearisieren da in erster Näherung eine 
Parabel als Fehlerkurve vorhanden ist. -> nach Linearisierung ca 1ppm.

> 1000h Langzeitstabilität Referenz: +-50ppm
Bei richtigem Handling der Referenz (Streßfreier Einbau, 1000H 
Voralterung vor der Kalibrierung usw) kommt man auf unter 5ppm.
Ich habe bei 2 Referenzen LT1027 innerhalb eines Jahres (knapp 9000 
Stunden) an 2 verschiedenen 6,5-stelligen Multimetern jeweils maximal 1 
Digit (10uV) Unterschied gemessen (Normiert auf gleiche 
Referenzsspannungstemperatur).

> Temperaturdrift Referenz: +-5ppm/°C
die erwähnten LT1027 haben jeweils <2ppm/K Temperatursteigung.
Nach Kompensation mittels direkt an der Referenz verbauten NTCs erreiche 
ich im Temperaturbereich 10..40 Grad etwa 2ppm (+/-1ppm) stabilität.

> Genauigkeit Referenz: 0,1% (=1000ppm) !!
LT1027CCN8-5 hat 0.05% ohne Abgleich. Die mit Abgleich erreichbare 
Genauigkeit ist natürlich Abhängig vom Vergleichsnormal.

Ein paar andere Aspekte:
- Rauschen: ist bei mir ca 10-20uVpp -> Mittelung über 1 bis mehrere 
Minuten der Meßwerte für rauschfreie Auflösung < 1 uV notwendig.
- Feuchtigkeit ist auch ein Problem: ca 0,4ppm Drift je % Luftfeuchte

Gruß Anja

>Rauschfreie Auflösung im einstelligen Mikrovolt-Bereich ist möglich.

Ja, aber diese "Auflösung" ist nur sinnfreies Gezappel. Beim ADC des TE 
beträgt der "Total Unadjusted Error" typisch 10ppm von Vref, das wären 
dann rund 50µV. Also letztlich nur 16bit Genauigkeit aus einem 24bit 
Wandler, und das gerade mal "typisch"...

Ina schrieb:
> Ja, aber diese "Auflösung" ist nur sinnfreies Gezappel.

Wenn ich das ganze in Relation zu käuflichen Multimetern sehe
z.B. das HP34405 5,5 stellig hat auch nur 300ppm / Jahr
und  das HP34401 6,5 stellig hat 40 ppm / Jahr

dann kommt man zumindest im Bereich 0..5V (solange keine Spannungsteiler 
im Spiel sind) mit relativ wenig Geld (aber viel zeitlichem Aufwand für 
die Kalibrierung) ziemlich weit.

Gruß Anja

Joe Redfish schrieb:
> Mit 5K am Eingang plus der Eingangskapazität müsste
> doch schon was zu machen sein. (?)

Ja man erhöht drastisch die Nichtlinearität (siehe Datenblatt). Womit 
wir wieder bei meiner Aussage vom 29.05. sind: Man braucht einen 
Pufferverstärker wenn man filtern möchte.

Gruß Anja