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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spannungsversorgung Blockkondensatoren


Autor: S. F. (deffman)
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Hallo zusammen,

ich hätte mal kurz ne Frage zur Spannungsversorgung und Abblockung gegen 
Störungen. Ich habe in einem Datenblatt eines AD-Wandler Evaluationboard 
und auch sonst schon öfters die Realisierung wie im Anhang gesehen. 
Meine Frage ist was bringen denn da die ganzen Cs parallel. Die 
Grenzfrequenz wird doch im Endeffekt nur durch den größten Kondensator 
bestimmt oder? Und im Endeffekt hängen ja alle Cs parallel, also könnt 
ich nicht einfach alle addieren und dann einen C mit dem gleichen Wert 
reinsetzen?

Vielen Dank im Voraus!

Gruß Stefan

Autor: Lasse S. (cowz) Benutzerseite
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Hi,

der Grund, weshalb unterschiedlich große Kondensatoren eingesetzt 
werden, hängt damit zusammen, dass große Kondensatoren ihre Ladung nicht 
so schnell abgeben können wie kleine.

Deswegen sollte man eben nicht einen (etwas größeren) Kondensator 
nehmen.

Gruß, CowZ

Autor: Εrnst B✶ (ernst)
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Die sind nur im Schaltplan so schön parallel, auf der Platine sind die 
Weit auseinander, möglichst bei jedem Chip mindestens einer.

Autor: Andreas K. (a-k)
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Siehe Links unten in Kondensator.

Autor: Danteln (Gast)
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Wovon du redest nennt man beipasskondensatoren...Dieser werden möglichst 
nah an die Stromversorgung der ICs angebrahct um die Spannung zu 
stabilisieren!
Dies ist besonders bei Logikbauteilen sehr sinnvoll, da diese nur eine 
geringe Spannungsdifferenz haben!
Wenn die Spannung mal für kurze zeit einbrechen sollte und wir reden 
hier von ms wenn nicht µs, dann kann der Beipasskondensator dies 
Kompensieren!
Hoffe geholfen zu haben!

LG
kai

Autor: Andreas K. (a-k)
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Wobei Analog-Komponenten wie der hier erwähnten A/D-Wandler durchaus 
empfindlicher sein können als Digital-ICs und daher eine aufwendiger 
Filterschaltung verwendet wird.

Autor: Danteln (Gast)
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Das wollte ich damit ausdrücken!
Und das die Kondensatoren etc. nicht genau so auf dem Board angeordnet 
sind brauche ich ja nicht zu sagen!
Die meisten Analog Digital Schaltungen arbeiten eigendlich fast alle mit 
Ref. spannungen welche sie irgendwie ( wie ist ja egal ) aus der 
Betriebsspannung ziehen.

Wenn also die Ref. Spannung ungenau ist, wird die umwandlung gerade bei 
höherer Auflösung imer ungenauer!

LG
Kai

Autor: S. F. (deffman)
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Hallo Dantel,

ja das mit den Beipasskondensatoren ist mir ja klar. Ich habe eben nur
nicht so ganz verstanden was die ganzen parallelen Cs am Eingang bringen
sollen. Aber so wie Cowz geschrieben hat, liegt das eben da dran dass
kleine Cs schneller ihre Ladung abgeben können als große. Sprich mit den
kleinen können größere Einbrüche kompensiert werden, da sie ihre Ladung
schnell abgeben können. Dafür aber eben auch nur über einen sehr kurzen
Zeitraum. Hab ich das jetzt richtig verstanden?

Danke!

Autor: Danteln (Gast)
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RICHTIG...
meines wissens können große Kondensatoren die benötigte ladung zwar 
genau so schnell abgeben wie kleine...Denn die lade und endladeformel 
gild ja für alle Kondensatoren aber es ist einfach unnötig!
Warum soll ich ( ÜBERTRIEBEN) einen 1 Farad Kondensator nehmen, wenn es 
auch einer im µ oder n tut

LG
kai

Autor: Andreas K. (a-k)
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Kondensatoren enthalten parasitäre Induktivitäten. Je grösser die 
Kapazität, desto niedriger ist die Resonanzfrequenz des dadurch 
aufgebauten Schwingkreises. Ab dieser Frequenz können die Kondensatoren 
ihren Zweck nicht mehr erfüllen. Daher die verschiedenen 
Grössenordnungen.

Wobei allerdings die Parallelschaltung mehrerer unterschiedlicher 
Kondensatoren umstritten ist. Die einen schwören drauf, die anderen 
meinen, dass dies nicht nur nichts bringt sondern direkt schadet.

Autor: Arthur Dent (Gast)
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Wie sagt doch ein Kollege >>Ein 100nF KerKo ist bei 10GHz eine 
wunderbare Induktivitaet<<

Um dem zu begegnen und damit in den ersten ps den modernen Bausteinen 
den Strom liefern zu koennen, den sie fordern, werden bei einigen 
Bausteinen (FPGAs, DSPs, schnelle Leitungstreiber, ...) je 3 
Kondensatoren (1n, 10n und 100n) fuer jeden Versorgungspin empfohlen. 
Dabei ist natuerlich der mit der kleinsten Kapazitaet am dichtesten an 
den Versorgungspin zu platzieren.

Autor: S. F. (deffman)
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Ah okay. Das macht Sinn!

Vielen Dank!

Autor: lkmiller (Gast)
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>meines wissens können große Kondensatoren die benötigte ladung zwar
>genau so schnell abgeben wie kleine..
Oh, nein, das ist nicht so.
Was meinst du überhaupt mit "groß" und "klein"?
Und was heißt "schnell"?
Bestimmte Kondensatoren z.B. keramische MLCCs (bevorzugt SMD) können den 
Strom wesentlich schneller abgeben als z.B. Tantal-Kondensatoren. 
Deshalb nimmt man zum Entkoppeln (Bypass) auch gerne diese Teile.

>Wobei allerdings die Parallelschaltung mehrerer unterschiedlicher
>Kondensatoren umstritten ist.
Das kommt auf die richtige Anordnung an (Layout). Vom Ic-Pin aus 
(Vcc+GND-Pins) geht es direkt (2-3mm) an den kleinsten (Bauform 
0402/0603 + Kapazität 10nF). Etwas weiter weg (10mm) fristet dann der 
obligatorische 100nF sein Dasein. Dann wird auf die Versorgungslagen 
kontaktiert. Und irgendwo in der Nähe (5cm) sitzen dann die Tantals mit 
10-100uF.

>Dabei ist natuerlich der mit der kleinsten Kapazitaet am dichtesten an
>den Versorgungspin zu platzieren
Muss heißen die Versorgungspins, denn jeder Strom, der reinfliesst kommt 
auch wieder irgendwo raus. Also müssen immer Vcc- und GND-Paare 
zusammengefasst werden.


Im Anhang ein kleines Bildchen, das den Stromfluss verdeutlicht.

Autor: Danteln (Gast)
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Es war ja auch auf die einzelnen Baugruppen bezogen

Autor: Michael (Gast)
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Hallo,

der Grundgedanke dabei ist, daß die Kondensatoren mit den kleinen Werten 
für die hohen Frequenzen wirken und umgekehrt.

Das geht aber nicht immer. In Deinem Beispiel habe ich auch Zweifel, daß 
die Kapazitäten gut gewählt sind.


Ersatzschaltbild Kondensator

Häufig kann ein Kondensator als Reichenschaltung aus L und C angesehen 
werden. Das gilt für Chipkondensatoren beispielsweise bis in den 
dreistelligen MHz-Bereich.

Für Chipkondensatoren ist L relativ klein (z. B. 1-2nH) und C ist der 
Wert, der auf dem Kondensator draufsteht.

Der komplexe Widerstand berechnet sich dann zu:

Z = jwL + 1/(jwC)

Für kleine Frequenzen ist der Kondensator eine Kapazität, für große 
Frequenzen eine Spule. Die Grenzfrequenz fg bei der aus dem Kondensator 
eine Spule wird, berechnet sich über

jwL = 1/(jwC)

zu

fg = 1/(2 pi sqrt{LC})


Problem der Parallelschaltung
Probleme bei der Parallelschaltung treten auf, wenn die Grenzfrequenzen 
der Kondensatoren nah beieinanderliegen.

Wenn nämlich der kleine Kondensator noch kapazitiv ist, und der große 
schon induktiv ist, hast Du eine Parallelschaltung aus L und C.
Und diese hat für ihre Resonanzfrequenz einen unendlich hohen 
Widerstand. Das heißt: Für die Resonanzfrequenz der Parallelschaltung 
bewirken die Kondensatoren nichts.


Fazit für Dein Beispiel

C16 und C11 zusammen funktionieren, denn C16 ist ein langsamer Elko und 
C11 ist ein schneller Chipkondensator (normalerweise mit dem 
Dielektrikum X7R).

C12 ist normalerweise auch aus X7R. Es hat überhaupt keinen Sinn, daß er 
drinbleibt. Eher würde ich vermuten, daß Probleme mit der 
Parallelresonanz auftreten. Also raus damit!

Bei C13 solltest Du darauf achten, daß er nicht aus X7R, sondern aus NPO 
ist. Dann kann er drinbleiben.
Wenn er auch aus X7R ist, würde ich ihn eher rausnehmen und durch eine 
100p-Kapazität ersetzen.

Das Ganze gilt natürlich vorbehaltlich einer genaueren Analyse durch 
Dich, bei der Du analysierst, welche Störfrequenzen vorwiegend 
auftreten! Bei der Auswahl der Kondensatoren benötigst Du dann aber 
unbedingt die genauen Kennwerte der Kapazitäten und eine gute 
Leiterbahnführung (zusammenhängende Massefläche, um die Induktivität der 
Masseleitung gering zu halten u. ä.).




Gruß,
  Michael

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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>Häufig kann ein Kondensator als Reihenschaltung
>aus L und C angesehen werden
Immer muss ....
muss das heißen :)

>Für Chipkondensatoren ist L relativ klein (z. B. 1-2nH)
>und C ist der Wert, der auf dem Kondensator draufsteht.
Und dann kommt wieder die Leiterbahnführung dazu. Die Bedeutung des 
Layouts wird klarer, wenn man betrachtet, dass eine 1cm lange Leiterbahn 
auf einer Leiterplatte eine Induktivität von ca. 10nH hat 
(geometrieabhängig).

Prinzipiell muss nicht die Versorgung entkoppelt werden, sondern jeder 
Verbraucher (ICs...). Deshalb ist das Bild vom OP schon logisch falsch.

Und die "Angst"-Spule L2 in der GND-Strippe kann auch noch hübsches 
Kopfzerbrechen bereiten, wenn sich eine Komponente ausserhalb des Geräts 
auf dieselbe Masse (GND) bezieht...

Autor: Alex (Gast)
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Wer sich mal die unterschiedlichen Kennlinien von unterschiedlichen 
Kondenatorgrößen (Bauform und Kapazität) anschauen möchte kann sich 
spaßes halber ja bei Kemet mal das "Kemet Spice" runterladen.
http://www.kemet.com/kemet/web/homepage/kechome.ns...
Da kann man sich schön den Impedanzverlauf über die Frequenz anschauen.
Immer wieder lustig ist auch sich anzuschauen, wie viel Kapazität noch 
bleibt, wenn mal Spannung angelegt wird ;)

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Und dann noch das: hochkapazitive MLCCs sind spannungsabhängig.
Die angegebene Kapazität bezieht sich auf eine Messpannung von 1V.

Siehe dort:
http://www.epcos.de/web/generator/Web/Sections/Com...
Suche nach: Spannungsabhängigkeit

Autor: Michael (Gast)
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Hallo Lothar,

jaja, meinetwegen "immer muß". Ich meinte dabei nur, daß es bei hohen 
Frequenzen von vielleicht >300MHz noch komplizierter wird.

Die Induktivität ist aber auf jeden Fall da, und Du hast ja 
richtigerweise erwähnt, daß die Leiterbahnführung oft der entscheidende 
Teil der Induktivität ist.

Die Angstspule habe ich mir gar nicht angeschaut. Ich hoffe, es handelt 
sich hier um eine Ferritperle.


Gruß,
  Michael

Autor: S. F. (deffman)
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Hallo zusammen,

vielen vielen Dank für eure Hilfe! So langsam kommt Licht ins Dunkel ;)
Ja ich denke ich muss mir meinen Aufbau noch einmal genauer anschauen. 
Denn es ist der Eingang auf einem von mir entworfenen AD-wandler-board. 
Und der Adwandler liefert ergebnisse mit einem Rauschen von ca 5mV (bei 
einer Auflösung von 14bit (1 LSB = 0,155mV) doch schon einiges, was aber 
auf der anderen Seite nicht schlimm ist, da die 14bit sowieso 
überdimensioniert waren und nur auf Grund der ADwandlergeschwindigkeit 
ausgewählt wurde). Aber ich frage mich im Moment woher das Rauschen 
kommen könnte. Denn alle Bauteile wurden eigentlich auch nach dem SNR 
wert ausgesucht und die 5mV sind schon extrem hoch. Aber natürlich 
könnte das auch durch die Versorgung kommen.

@michael: es handelt sich bei der Spule um einen EMV-Ferrit-Bead. Das 
Datenblatt habe ich mal angehängt. Ich habe die Spule jetzt auch mal 
probehalber entfernt, aber hat am Messergebnis nichts geändert.

Gruß Stefan

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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>Aber ich frage mich im Moment woher das Rauschen kommen könnte.
Das frage ich mich auch, das war vorher noch nie da
(zumindest im Tread)  ;-)

Mach dafür doch einen neuen Thread auf,
und liefer gleich noch einen Schaltplan + Layout dazu ab.

Autor: Michael (Gast)
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Welche der 27 im Datenblatt enthaltenen Ferritperlen ist es denn? ;-)

Autor: S. F. (deffman)
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Sorry, das is natürlich noch ne klein wichtige Info ;)

Art. Nr.: 643 53 800

Gruß

Autor: Michael (Gast)
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Hallo,

die Frage mit dem Rauschen ist eine andere als die EMV-Frage vorher.

Dazu brauchen wir einen
- Schaltplan (inkl. die darin enthaltenen Verstärkerschaltungen für die
  Analogsignale)
- Layoutplan (um die Masse- und Signalführung zu sehen)
- Frequenzbereich der Signale
- Bauteilbezeichnungen des AD-Wandlers

Wenn Digitalsignale oder Mikrocontroller auf dem Board vorhanden sind 
(was in diesem solchen Forum ja gelegentlich vorkommen sollte), ist es 
wichtig zu wissen, ob die Masseflächen und Versorgungsleitungen von 
Analog- und Digitalteil getrennt sind und wenn ja wie.

Die Ferritperle, die Du verwendest, hilft für Frequenzen > 10MHz. Bei 
kleineren Frequenzen macht sie praktisch nichts; da müssen dann andere 
Maßnahmen wirken.



Gruß,
  Michael

Autor: S. F. (deffman)
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Guten Morgen,

@Michale: vielen Dank für dein Angebot mein Layout zu analysieren. 
Allerdings darf ich das leider nicht veröffentlichen, da es meine 
Bachelorthesis ist. Aber wie gesagt, es ist ja nicht weiter schlimm. Das 
Eingangssignal das ich sampeln muss hat sowieso einen Rauschpegel von 
30mV. Und da ich aus einem Analogsignal nur ein digitales machen muss, 
sind die 5mV Rauschen unkritisch. Aber ich denke dass es ziemlich sicher 
durch die Versorgung zustande kommt. Ich speise mein Board mit einem 12V 
Netzgerät. Dieses geht über die oben genannte Schaltung und dann auf 
zwei 7805er. Einer generiert VCC der andere VDD. Mit der Ref1004 mache 
ich dann aus VDD die Referenzspannung 1,2V des ADwandlers. Mittlerweile 
weiß ich das war keine gute Idee, denn VDD treibt den Ausgangstreiber 
des ADwandlers. Jedesmal wenn der die Daten auf den Ausgang schreibt 
schwankt VDD leicht, was ja auch nicht verwunderlich ist. Und das wirkt 
sich natürlich dann auch auf die Referenz aus. Wenn ich jetzt ziemlich 
am Limit des ADWandlers sample (2MHz) dann wirkt sich das natürlich auf 
den Aufladevorgang der Sample&Hold Cs aus. Das könnte doch das Schwanken 
der AD-Ergebnisse evtl. erklären oder? Klar kann bei 2MHz auch noch 
anderes Zeug reinfunken. Aber Masseschleifen und Versorgungsschleifen 
habe ich auf jeden Fall beim Layout vermieden. Allerdings habe ich nur 
eine Massefläche. Also keine getrennte für VDD und VCC, da dies auf 
Grund der vielen Bauteile leider nicht ging.

Falls ihr bezüglich meiner Beschreibung noch Tips habt wäre ich euch 
dankbar. Wie gesagt, ich würde alles sehr gerne veröffentlichen, 
allerdings wäre da mein Betreuer wahrscheinlich nicht sehr begeistert ;)

Gruß

Autor: Michael (Gast)
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Hallo,

das ist ja viel Aufwand nur für den Eingang des 7805. Ich glaube, so 
viel brauchst Du nicht.

Ich arbeite selbst mit Ultraschallschaltungen (1-30MHz) bei 
Verstärkungen bis etwa 60dB. Für den Eingang des 7805 nehme ich 
üblicherweise 10µF Keramik (oder 10µF Elko oder 100µF Elko), und am 
Ausgang einen 100µF Elko und 100nF Keramik. Die Verpolschutzdiode ist 
natürlich sinnvoll, und die Ferritperlen vielleicht auch, aber ich denke 
nicht, daß sie allzu viel helfen.

Wichtiger ist es, nach dem 7805 nah bei jedem einzelnen Bauelement einen 
100nF-Kondensator gegen Masse anzubringen. Auch parallel zur 
Referenzspannungsdiode würde ich einen 100nF Kondensator anbringen (da 
mußt Du das Layout ggf. nochmal aufkratzen).

Wenn das nicht reicht, ist es vielleicht sinnvoll, zusätzlich die 
Spannungsversorgung für den AD-Wandler aufkratzen und dort eine 
Ferritperle einbringen.
Die Ferritperlen, die Du gekauft hast, sind eher für Signale geeignet 
als für Gleichspannung. Für Gleichspannung kannst Du ruhig eine nehmen, 
die sehr viel mehr Ohm hat (1000 Ohm).

14-Bit bei einem AD-Wandler sind meist Kosmetik. Schau Dir die dem 
Rauschen äquivalente Bitzahl mal an. Hierbei handelt es sich um die 
Anzahl der Bits, die dann später nicht ohnehin ständig wackeln.




Gruß,
  Michael

Autor: S. F. (deffman)
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Hallo Michael,

vielen Dank für deine Tips! Die waren auf jeden Fall schon einmal sehr 
interessant. Um doch evtl. noch etwas genaueres sagen zu können, habe 
ich mit meinem Betreuer geredet. Er hat keine Bedenken bezüglich des 
Veröffentlichen der Schaltung. Von dem her habe ich mal nen neuen Thread 
aufgemacht und alles gepostet.

Beitrag "Rauschen auf ADwandler Ausgang"

Bin auf jeden Fall jedem dankbar der sich darüber auslässt. Ob negativ 
oder positiv ;)

Gruß

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