Hallo Leute,
bitte entschuldigt meine Frage, aber ich frage mich momentan, wieso auf
Platinen mit Mikrocontrollern zig analoge Bauteile verbaut sind. Nehmen
wir einfach mal einen USB Stick. Da habe ich zum Einen einen
Mikrocontroller für die USB Verbindung zum Rechner und zur Steuerung des
Zugriffs auf den Speicherchip. Dann wäre da der Speicherchip selbst und
der 12 MHz Quarz für den Mikrocontroller.
Was auf den Platinen fehlt, ist allerdings ein IC zur Stabilisierung der
Spannung. Stattdessen habe ich einen Widerstand, gefolgt von zwei
Parallel geschalteten Dioden und wohl zur Stabilisierung der Spannung
unter "Last" VIER!!!! Kondensatoren Parallel zu GND, 3x 0.1uF + 2,2uF.
Irgendwie sind da die Schaltungen wirklich sehr komplex.
Was ich aber wirklich nicht verstehen kann, ist wieso nicht irgendwie
alles auf einem Chip drauf ist, sodass ich einfach eine Spannung von
3.3V-z.B. 9V anschließe und dann über irgendeinen Bus auf die Daten
zugreifen kann. Und evtl. mit der Möglichkeit, über einen Chip auf den
nächsten in der Reihe zuzugreifen. Das wäre wohl dann so ein "System on
Chip" Chip. Bei den USB Sticks ist die eine Seite mit dem
Mikrocontroller und dem ganzen analogen Müll zugepackt und die andere
Seite mit dem Speicher.
Wäre alles in einem Chip, könnte man sich die Platine ganz sparen und
direkt an den Chip rangehen => kleinere Technik.
Ender schrieb:> Was auf den Platinen fehlt, ist allerdings ein IC zur Stabilisierung der> Spannung. Stattdessen habe ich einen Widerstand, gefolgt von zwei> Parallel geschalteten Dioden und wohl zur Stabilisierung der Spannung> unter "Last" VIER!!!! Kondensatoren Parallel zu GND, 3x 0.1uF + 2,2uF.> Irgendwie sind da die Schaltungen wirklich sehr komplex.
Kondensatoren hat man nie zuviel, wenns zuverlässig funktionieren soll.
100n sind ein Standardwert als Blockkondensator. Und die 2.2µ werden
wohl sowas wie eine kleine Stromversorgung darstellen, damit der µC nach
dem Abstecken (wenn vom USB nichts mehr kommt) noch für ein paar
Sekundenbruchteile Spannung hat.
Für die Kosten einer einzigen Reklamation, die wegen
unterdimensionierten Blockkondensatoren reinkommt, kannst du ein paar
Zehntausend USB-Sticks bauen. Lohnt also nicht, die wegzulassen.
> Wäre alles in einem Chip, könnte man sich die Platine ganz sparen und> direkt an den Chip rangehen => kleinere Technik.
Aber geh.
Die Dinger sind doch auch so schon so klein zu kriegen, dass man ständig
nach ihnen in allen Hosentaschen suchen muss.
Das ist nur eine Frage des Geldes. Dioden, Kondensatoren und Widerstände
sind Schüttgut. Jeder Halbleiter-IC ist teurer. Und SoCs gar wachsen
nicht auf Bäumen.
Kondensatoren auf Silizium-Fläche sind im Vergleich extrem teuer. Daher
diskret neben dem Chip auf der Platine. Spannungsregler sind auch eine
völlig andere Technologie wie Speicherchips oder Controller.
Das ist so, als würde man zum Feinmechaniker-Werkzeug einen
Vorschlaghammer und einen Steckbeitel dazulegen...
Kondensatoren kann man nicht in IC's unterbringen, jedenfalls nicht,
wenn die Kapazität mehr als ein paar pico Farat sein soll.
Was wie ein Widerstand aussieht kann auch eine Drahtbrücke sein (0 Ohm
Widerstand). Abgesehen davon findest du oft Widerstände und Dioden, um
Signal-Leitungen vor Überspannung zu schützen. Innerhalb der Chips geht
das nicht einfach so, denn die Spannung an allen Pins darf
überlicherweise nicht höher als VCC und nicht niedriger als GND sein.
Bei Verbindungen zwischen Geräten kann es aber durchaus öfters vokommen,
dass Signale anliegen während die Stromversorgung (noch) aus ist.
Die meisten USB Chips für Gast-Geräte enthalten übrigens einen internen
Spannungsregler. So z.B. die ganzen USB-UART Schnittstellen.
... und Speicherchips sind eben am günstigsten, wenn man sie nicht nur
für einen Zweck herstellt, sondern sie vielseitig einsetzen kann. So ist
der Chip dann nicht nur im USB Stick, sondern auch im MP3 Player, im
Fotoschlüsselanhänger, im digitalen Bilderrahmen usw.
Stefan schrieb:> Kondensatoren kann man nicht in IC's unterbringen, jedenfalls nicht,> wenn die Kapazität mehr als ein paar pico Farat sein soll.
Naja, das geht prinzipiell schon, nur werden die ICs dann recht groß. Es
gibt Varianten des MAX232, bei denen die Kondensatoren für die
Ladungspumpe im IC-Gehäuse untergebracht sind, die werden schon im
Bereich um 0.1 .. 1 µF liegen.
Aber das ist sehr aufwendig und entsprechend teuer.
Allerdings solltest Du Dir mal Platinen ansehen, wie sie vor 25..30
Jahren gebaut wurden, auf denen war wirklich noch viel Zusatzkram
drauf, die paar Krümel, die heute noch verwendet werden, sind
demgegenüber wirklich völlig harmlos.
Übrigens: Es heißt Farad. Mit d, denn der Mensch, nach dem die
Einheit benannt ist, hieß Faraday.
Matthias Sch. schrieb:> So ist> der Chip dann nicht nur im USB Stick, sondern auch im MP3 Player, im> Fotoschlüsselanhänger, im digitalen Bilderrahmen usw.
Ich verstehe schon, dass die Chiphersteller den Chip für möglichst viele
Anwendungen verkaufen möchten. Aber auf der anderen Seite frage ich mich
auch, ob es wirklich das ist, was der Markt verlangt. Trotz zig
Anwendungsmöglichkeiten wird der Chip in Wirklichkeit doch nur auf eine
bzw. auf nur wenige Arten verwendet.
Rufus Τ. Firefly schrieb:> Allerdings solltest Du Dir mal Platinen ansehen, wie sie vor 25..30> Jahren gebaut wurden, auf denen war wirklich noch viel Zusatzkram> drauf, die paar Krümel, die heute noch verwendet werden, sind> demgegenüber wirklich völlig harmlos.
Ja, das habe ich auch nicht verstanden. Zig Kondensatoren, viele Dioden.
Aber da konnte ich wenigstens nachvollziehen, wofür das mehr oder
weniger da ist. Bei den SMDs und den Mini Platinen und Bauteilen wirkt
die fertige Platine auf mich irgendwie komplex, was die vielleicht
garnicht ist, wenn die Teile aus Redundanz einfach verbaut werden, um
Reklamationen zu vermeiden.
Aber eine andere Sache kann ich trotzdem nicht verstehen. Nehmen wir mal
einfach ein Mainboard. Auf das Mainboard führt ein 20 bzw. mittlerweile
ein 24 poliges Kabel, wo jede Spannung zig mal vorhanden ist. Macht man
das auch aus Redundanz? Wohl kaum. Etwa wegen des Stromverbrauchs? Denke
ich auch nicht. Und dann ist trotzdem um jeden IC eine menge SMD Zeugs
drum herum.
Logisch. Ein Mainboard ohne puffer IC's kann nicht funktionieren.
Wenn du einen IC hast der ein digitales Signal erzeugt, so muss dieser
IC die komplette Signalleitung sowie den Eingang des Empfänger IC's
umladen. Dafür benötigt er Elektronen, welche er sich über die
Betriebsspannungspins holt. Wenn man nun bedenkt, das solch ein
Umladevorgang mehrere Millionen mal pro Sekunde passieren kann muss man
sich unweigerlich fragen, wo denn die ganzen Elektronen dafür herkommen
sollen. Die Antwort ist: Aus den Kondensatoren um die
Spannungsversorgungspins. Fehlen diese so bricht die Spannung am IC
kurzzeitig ein, was bis zum Absturz (Brown Out) desselben führen kann.
Üblicherweise hat man dann noch Serienwiderstände in den
Signalleitungen. Das klingt zwar paradox, ist aber so. Um die Schnellen
Signalwechsel zu schaffen sind die Ausganstransistoren moderner IC's
sehr schnell. Dadurch generieren sie, entsprechende Pufferkondensatoren
vorrausgesetzt, nahezu Rechtecksignale. Diese haben allerdings ein
Problem: Sie besitzen sehr viele Oberwellen. Diese Oberwellen sind
teilweise sehr energiereich und können dazu führen, daß benachbarte
Bauteile in ihrer Funktion gestört werden. Daher baut man
Serienwiderstände ein um die Steilen Flanken etwas zu verschleifen.
Einen anderen Grund haben Widerstände, wenn sie zur Leitungsanpassung
verwendet werden.
Bei sehr schnellen Signalen ist ein möglichst gleicher
Leitungswiderstand (Leitungsimpedanz genannt, da es ein komplexer
Widerstand ist, komplex im Sinne von zusammengesetzt aus Ohmschen,
kapazitivem und induktiven Teil, sowas zu berechnen ist nicht sehr
einfach) vom Sender bis zum Empfänger notwendig, damit das Signal mit
möglichst kleiner Veränderung am Empfänger ankommt. Allerdings sind die
Komponenten (Sender, Übertragungsstrecke (Teilweise aus mehreren
zusammengesetzt, wobei noch Stecker hinzu kommen können) und Empfänger)
oftmals nicht aufeinander abgestimmt. Dann muss man ggf. versuchen, die
Leitungswiderstände Anzupassen, damit keine Reflexionen entstehen, die
das Nutzsignal (zer-)stören könnten.
Die ganze Problematik ist sehr komplex und kaum in wenigen Sätzen zu
erklären
Guten Abend, Ender.
Nun, mehrere dünne Adern in der Mainboardzuleitung machen durchaus
Sinn, wenn Du Dir die (Versorgungs-)Ströme ansiehst. Man könnte auch
"eine Dicke Strippe" nehmen, aber die wäre zu steif und unhandlich.
Zusatzlich währen dan auch Hochstromkontakte fällig. Glaub's einfach:
das währe nicht zu bezahlen ...
Die "Battalion" an Elkos auf dem MoBo hat auch ihre Bewandnis: ein
einzelnes Bauteil in der Größenordnung "Klorolle" ist nicht nur ein
Kostenfaktor, sonder Platzverschwendung. Elkos speichern Energie
(wie schlau ist denn der Satz), sie mögen aber keine großen Ströme
oder Impulsbelastung. Nimmt man viele, kleinere, so teilen sie sich
den Ärger ;-)
Der angesprochene USB-Stick ist nur in der Theorie digital .
Bei genauerer Betrachtung ist digital nur eine (idealisierte)
Sonderform von analog , bei der man die Zwischenwerte
"wegrationalisiert" hat ...
Gruß an Alle
Martin
Ender schrieb:> Aber eine andere Sache kann ich trotzdem nicht verstehen. Nehmen wir mal> einfach ein Mainboard.
Warum hat ein Tata nur 4,5 Bauteile (4 Räder und einen halben Motor) und
ein modernes Auto mehr als 10.000 Bauteile?
Hi Ender,
wenn du etwas nicht versteht, ist das erst mal nicht schlimm.
Wenn man dann aber so daher schwurbelt:
Ender schrieb:> Aber eine andere Sache kann ich trotzdem nicht verstehen. Nehmen wir mal> einfach ein Mainboard. Auf das Mainboard führt ein 20 bzw. mittlerweile> ein 24 poliges Kabel, wo jede Spannung zig mal vorhanden ist. Macht man> das auch aus Redundanz? Wohl kaum. Etwa wegen des Stromverbrauchs? Denke> ich auch nicht. Und dann ist trotzdem um jeden IC eine menge SMD Zeugs> drum herum.
habe ich massive Probleme. Total ahnungslos Fragen stellen, aber
mögliche Antworten vorweg ablehnen. Große Klasse! Meinst du etwa
ernsthaft, die Entwickler/Hersteller machen die vielen Kabel und dieses
ganze SMD-Zeugs aus lauter langer Weile drauf? Denkst du echt die sind
zu blöde, das "richtig" zu lösen?
Anworten bzgl. der Unmöglichkeit, alles beliebig in Schaltkreise zu
integrieren, hast du ja schon bekommen. Ein anders Problem ist die
Anpassung der Schaltung an konkrete Bedingungen der Schaltung, in der
die Schaltkreise eingesetzt werden.
Früher hätte ich gesagt, kuck nicht so viel Raumschiff Enterprise, wo
die "Experten" immer mit ihrem Hosentaschen-Laser wild in irgendeinem
Würfelzucker-Tertis herumbraten. - So einfach ist Elektronik nun mal
nicht!
HTH
Christian B. schrieb:> Üblicherweise hat man dann noch Serienwiderstände in den> Signalleitungen. Das klingt zwar paradox, ist aber so.
Ist es das? Meines Wissens haben Widerstände (ich lasse die Parasiten
mal außen vor) keine Zeitkonstante und können somit keine verzögernde
Wirkung besitzen... oder doch? Es wäre schön, wenn Du hierfür auf eine
Beweisführung verweisen könntest. Das würde mich sehr interessieren.
Um die Schnellen
> Signalwechsel zu schaffen sind die Ausganstransistoren moderner IC's> sehr schnell.
Was heißt modern? Ich glaube das Beispiel PC ist hier nicht so gut. Die
Signale, die ich bisher aus dieser Sparte gesehen habe, waren eher
abschreckend als schön. Von Rechteck war da nicht mehr viel zu erkennen.
> Bei sehr schnellen Signalen ist ein möglichst gleicher> Leitungswiderstand (Leitungsimpedanz genannt, da es ein komplexer> Widerstand ist, komplex im Sinne von zusammengesetzt aus Ohmschen,> kapazitivem und induktiven Teil,
Meintest Du Wellenwiderstand?
> sowas zu berechnen ist nicht sehr einfach)
Naja es gibt einen haufen Anpassnetzwerke. Und mittels Smith-Diagramm
lässt sich das ganze auch sehr einfach bestimmen.
> vom Sender bis zum Empfänger notwendig, damit das Signal mit> möglichst kleiner Veränderung am Empfänger ankommt.
Fehlanpassung erzeugt Reflexion. Eine Verschleifung erhält man bei hohen
Frequenzen schon durch die Geometrie der Leiterbahn und der damit
einhergehenden parasitären Effekte. Reflexionen können ferner sogar zur
Zerstörung des Ausgangs führen, da solche nicht dafür gedacht sind, dass
das gesendete Signal wieder zurück kommt.
> Die ganze Problematik ist sehr komplex und kaum in wenigen Sätzen zu> erklären
Nö, dass nun wirklich nicht. Aber es gibt noch einen wichtigen Grund,
warum man Cs, Ls und Rs nicht sonderlich gerne auf ICs packt: Die Größe.
Widerstände werden durch Transistoren nachgebildet, und haben somit
automatisch auch eine nichtlineare Kennlinie. Außerdem lässt sich bei
10nm nicht sonderlich viel Verlustleistung abführen. Bei Kondensatoren
lässt sich zwar durch die kleinen Strukturbreiten auf ICs die Kapazität
sehr hoch treiben, allerdings sind so ziemlich alle ICs heute noch in
Planartechnik hergestellt. Somit lässt sich keine wirkliche "Fläche"
erzeugen. Bei Spulen müsste man eine aufgedampfte Leitschicht wild im
Kreise kringeln - ebenfalls planar und somit nicht sonderlich effizient.
Ich habe mal ein Layout eines Drucksensors gesehen, welchen ein
damaliger Professor von mir mitentwickelt hatte. 99% der Chipfläche war
ein einziger Widerstand, der für eine genaue Messung unabdingbar und
nicht nach außen hin verlegbar war. Um sich das mal vor Augen zu führen:
Ein einziger Widerstand war so groß auf der Fläche, dass man ihn rein
theoretisch mit dem bloßen Auge erkennen könnte (wenn das Auge auflösend
genug für die feinen Leiterbahnen wäre).
Nur weil wir im Jahr 2012 leben ist zwar vieles, aber halt immernoch
nicht alles möglich :)
Michael L. schrieb:> Denkst du echt die sind> zu blöde, das "richtig" zu lösen?
Die Entwickler mit Sicherheit nicht, aber die BWLer, die nur die bloßen
Kosten sehen ;)
Wir machen meist noch 100 bis 200 zusaetzliche Komponenten auf ein
Board, damit es beeindruckender ausschaut, und man im Verkauf mehr
dafuer verlangen kann. Wenn man etwas wie Sonderaufwaenden fuer
zusaetzliche Features, Normen, Zertifizierungen usw antoent, gibt es
kaum Fragen.
Wenn man die Programmspeichergrößen bei modernen uC mit üblichen Grössen
für ein reines NOR-Flash vergleicht... wird doch irgendwie ersichtlich
dass für beides den selben Prozess zu nehmen irgendwie keine gute Idee
wäre.
Martin Schwaikert schrieb:> Ist es das? Meines Wissens haben Widerstände (ich lasse die Parasiten> mal außen vor) keine Zeitkonstante und können somit keine verzögernde> Wirkung besitzen... oder doch? Es wäre schön, wenn Du hierfür auf eine> Beweisführung verweisen könntest. Das würde mich sehr interessieren.
Ja es ist so. Die Leiterbahn/Kabelader besitzt eine gewisse Kapazität,
ist also auch ein Kondensator. Dieser Kondensator muss bei jeder Flanke
umgeladen werden. Bei sehr steilen Flanken ist dafür jedoch ein
beträchtlicher Strom nötig (U*C=I*t). Diese hohen Ströme erzeugen
wiederum ein magnetisches Feld, welches die Schaltung oder andere
Schaltungen stören kann. Ausserdem entstehen auch Störungen auf der
Speisung der Schaltung, weshalb u.A. Abblockkondensatoren und Ferrite
verwendet werden. Die Serienwiderstände begrenzen nun diesen Strom und
die Ströungen können drastisch vermindert werden. Dabei werden natürlich
die Flanken verschliffen (dies ist nicht direkt beim Sender, sondern
erst beim Empfänger sichtbar). Die Rechnerei überlasse ich dir.
Nachtrag: Bei steilen Flanken sind die Oberwellen sehr hochfrequent,
nicht nur die der Spannung, auch die des Stromes. Um den Effekt zu
sehen, kann man z.B. in LTSpice einen Rechteck durch eine reale Leitung
jagen und mit verschiedenen Anstiegszeiten spielen. Dabei die Ströme und
ggf. das Frequenzspektrum beachten.
