Hallo zusammen,
ich beschäftige mich mit einem Audio-Setup, bei dem ein Bluetooth-Modul
und ein FM-Tuner in den ADC-Eingang des Audio-Codecs vs1053 gespeist
werden sollen. Dabei ist eine Umschaltung der Quelle über einen
Analog-Switch-IC vorgesehen.
Das Ausgangssignal vom vs1053 wird weiterhin in einen
Klasse-D-Verstärker gespeist.
Das Zusammenspiel der Komponenten auf einem gemeinsamen PCB ist in dem
beigefügten Bild grob skizziert. Ich hoffe, das Bild ist soweit
verständlich.
Die tatsächlichen Komponenten sind aber wahrscheinlich gar nicht
ausschlaggebend, denn meine Fragen sind eher prinzipieller Natur:
1.) Trennung der Digital- und Analogmasse, wie macht man es hier
richtig?
2.) Koppelkondensatoren im Signalpfad, wo sind sie wirklich
erforderlich?
Und nun im Detail:
Grundsätzlich ist mir der Zweck der Trennung der Analog- und
Digitalmasse schon klar. Man möchte mit der separaten Führung der
Analogmasse erreichen, dass hier keine (großen) Ströme fließen, die
Störungen in das Analogsignal einstreuen. Nun ist es aber so, dass in
den Datasheets des Bluetoothmoduls, des vs1053 und des Verstärkers
jeweils angegeben ist, dass Analog- und Digitalmasse nur an einer Stelle
des Boards (möglichst direkt unter dem jeweiligen Chip) verbunden werden
sollen. Hätte ich eine gemeinsame Analogmasse für alle Audiokomponenten
wäre die Frage, wo verbinde ich denn nun die beiden Massen? Bzw.
verwende ich 3 Verbindungsstellen?
Das führt mich direkt zur zweiten Frage: zwischen den Komponenten wird
das Audiosignal kapazitiv gekoppelt übertragen. Damit ist doch eine
gemeinsame Audiosignal-Referenzmasse für die ICs eigentlich gar nicht
nötig!?
Ich könnte also für jeden Chip – wie im Datenblatt vorgegeben – eine
eigene AGND-Massefläche verwenden, die nur an einer Stelle mit der
Hauptmassefläche verbunden ist (wie in der beigefügten Grafik
dargestellt). Sehe ich das richtig?
Die letzte Frage bezieht sich noch auf die Koppelkondensatoren im
Detail. Sind die Koppel-Cs in meinem Fall VOR dem Analog-Switch
überhaupt nötig? (Die Cs am Eingang des vs1053 sind auf jeden Fall im
Layout vorgesehen). Eigentlich sollte der Switch ja quasi transparent
für das Audiosignal sein, ein DC-Offset sollte dem Switch doch egal
sein?
Gruß & Dank,
Daniel
Daniel P. schrieb:> Sind die Koppel-Cs in meinem Fall VOR dem Analog-Switch überhaupt nötig?
Vermutlich (ist ja nur ein Prinzipschaltbild) nicht. Beachte: Nach jedem
Koppel-C ist wieder ein Widerstamd nach Masse (Bezugspotential) nötig.
Man braucht nicht Ausgangs-C und Eingangs-C direkt hintereinander, das
machen Geräte nur weil sie nicht wissen was angestöpselt wird.
Analogmasse ist normalerweise das Bezugssignal der OpAmps, deren
Versorgung ist aber V- und V+. Digital hat VCC und GND und dessen
Bezugspegel ist irgendwas dazwischen.
Also ist AGND gar nicht DGND, sondern DGND ist V- (aber mit anderer
Spannung)
Auf AGND fliessen kaum Ströme, auf DGND sehr heftige. Übrigens gehört zu
jeder Hinleitung eine Rückleitung und die sollten parallel liegen. Auf
Masseflächen fliesst der Strom auf dem kürzesten Weg es sei denn darüber
geht EINE Leiterbahn mit den Hinstrom. Dann sammelt such der Rückstrom
in dessen Nähe.
Die dse faq verlinkt unter Layout einige Dokumente zur Masseführung.
Danke für die Antworten!
MaWin schrieb:> Beachte: Nach jedem> Koppel-C ist wieder ein Widerstamd nach Masse (Bezugspotential) nötig.
Ähm... ganz dumm gefragt: warum das? Der interne ADC des ICs hat doch
einen Eingangswiderstand, der das Eingangssignal auf den GND-Level des
ICs bezieht, oder nicht?
MaWin schrieb:> Auf AGND fliessen kaum Ströme, auf DGND sehr heftige. Übrigens gehört zu> jeder Hinleitung eine Rückleitung und die sollten parallel liegen. Auf> Masseflächen fliesst der Strom auf dem kürzesten Weg es sei denn darüber> geht EINE Leiterbahn mit den Hinstrom. Dann sammelt such der Rückstrom> in dessen Nähe.
Okay, ja, das habe ich soweit verstanden und verwende auch ein ganzes
Layer als Massefläche um den Stromfluss optimal zu gestalten.
Ich wollte nur halt kleine analoge Masseflächen "ausklammern", die nur
über eine einzelne Verbindung (z.B. direkt am AGND-Pin des ICs) mit der
Groundplane verbunden sind. So kann ich gewährleisten, dass in dieser
Analogmasseinsel kein "Digitalstrom" fließt und ich somit eine saubere
Referenz für die Audiosignale habe. An diese Masse würde ich dann die
nötigen Bauteile, die z.B. für die Sigma/Delta-Rekonstruktion am
DAC-Ausgang des vs1053 nötig sind, anschließen.
Was ich eben nicht ganz verstehe, in wieweit denn ein Bezugspotenzial
nötig ist, wenn ich das Analogsignal zwischen zwei ICs kapazitiv
gekoppelt übertrage. Ist es dann nicht eigentlich völlig egal, auf
welches Potenzial sich der jeweilige Chip bezieht?
MaWin schrieb:> Die dse faq verlinkt unter Layout einige Dokumente zur Masseführung.
Danke, das fahre ich mir mal in Ruhe 'rein!
asdf schrieb:> Wozu brauchst du den VS1053. Sind die Audosignale vom Bluetooth-Modul> und vom FM-Tuner nicht schon analog?
Das ist schon richtig, aber ich verwende digitale
Postprocessing-Funktionen des vs1053 und mache die Lautstärkeregelung
darüber. Außerdem kann so eine Aufzeichnung des Analogeingangs auf
SD-Karte erfolgen.
Danke!
Gruß
Daniel
Daniel P. schrieb:> Ist es dann nicht eigentlich völlig egal, auf> welches Potenzial sich der jeweilige Chip bezieht?
Der Kondensator gleicht nur Gleichspannungsmässig aus, aber nicht die
Störungen.
> Masselayer
Wie gesagt, was ist Bezugspotential, wolang fliesst der Strom, welchen
Spannungsabfall ergibt das, und so lange der nicht das Bezugspotential
beeinflusst, ist er egal, es muss nur Hinleitung bei Rückleitung liegen.
Hallo!
MaWin schrieb:>> Masselayer>> Wie gesagt, was ist Bezugspotential, wolang fliesst der Strom, welchen> Spannungsabfall ergibt das, und so lange der nicht das Bezugspotential> beeinflusst, ist er egal, es muss nur Hinleitung bei Rückleitung liegen.
Ich habe mir dazu auch intensiv die Ausführungen im dse faq (bzw. das
Dokument von Analog:
ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/ADI%20Classics/Practical%20Design%20Techni
ques%20for%20Sensor%20Signal%20Conditioning,%201999/Section_10_Hardware_
Design_Techniques.pdf ) angeschaut.
Das Optimum wäre demnach wohl, jeweils ein separates Layer für DGND und
AGND zu haben, verbunden durch einen Sternpunkt. Da ich mit 4 Layern
arbeite, kann ich nur ein Masselayer verwenden.
Ein Kompromiss wäre wohl, dieses Masselayer zu partitionieren. Alle
Digital-ICs mit der DGND-Fläche verbinden, die Analog- und
Mixed-Signal-ICs mit allen ihren GND-Pins mit der AGND-Fläche. Diese
beiden Flächen getrennt führen und nur in einem Punkt verbinden.
In der beigefügten Grafik ist mein aktuelles Boardlayout dargestellt.
Ich denke, die Trennung von Digital- und Analog/Mixed-ICs ist dort
bereits bestmöglich gelöst, die Platzierung der Bauteile ist allerding
auch fix und kann nicht mehr variiert werden.
Skizziert habe ich nun die zwei Masseflächen, die für mich nach Lesen
des o.g. Dokuments als sinnvoll erscheinen. Alle Analog/Mixed-ICs
beziehen sich nun auf ein und dieselbe Massefläche, allerdings müssen
durch diese Massefläche auch sämtliche Versorgungsströme.
Was ich bei dieser Lösung als problematisch ansehe ist, dass zwar die
Versorgungsströme die kleinstmögliche Loop bilden, die Rückströme der
schnellen digitalen Verbindungen (SPI, I²C) mit der CPU allerdings "den
langen Weg" nehmen müssen.
Also, was macht hier der Profi? Wird das Ground-Layer partitioniert oder
wird eine einzige, möglichst einheitliche Groundplane für sämtliche
Masseverbindungen verwendet?
MaWin schrieb:> Beachte: Nach jedem> Koppel-C ist wieder ein Widerstamd nach Masse (Bezugspotential) nötig.
@MaWin: kannst Du dazu bitte noch etwas schreiben? Diese Notwendigkeit
ist mir wirklich nicht klar.
Danke & Gruß
Daniel
Daniel P. schrieb:> Wird das Ground-Layer partitioniert oder> wird eine einzige, möglichst einheitliche Groundplane für sämtliche> Masseverbindungen verwendet?
Ich empfehle regelmäßig die Verwendung einer gemeinsamen gnd- Fläche; es
gibt mittlerweile auch Hersteller von AD-DA- Wandlern, die das
gleichermachen machen. Ich kenne auch durchaus Leiterplatten, bei denen
dieses Verfahren positiv angewandt wurde.
Wenn - sei es aus Vorsicht oder weltanschaulichen Gründen - die
Masseflächen separiert werden, kann es in Verbindung mit dem Digitalteil
zu heftigen Störabstrahlungen kommen. Abhilfe ist in diesem Fall die
Verwendung eines Hybrid- grounds, d.h., für NF die Separierung mit einem
Sternpunkt, für HF die Überbrückung der Trennkanäle an mehreren Stellen
mit kleinen Kondensatoren ( ...1 nF), um eine ausreichend große HF-
groundplane zu schaffen.
Bei diesem Setup sollte ein gemeinsames Ground keine groesseren Probleme
bereiten, ist ja ohnehin alles auf dem gleichen Board. Schwieriger
wird's wenn es verschiedene Boards mit verschiedenen Netzteilen gibt.
Danke für Eure Tips!
Dann werde ich es mit einer einzelnen, möglichst homogenen Massefläche
probieren.
Macht es denn dann Sinn, an den Spannungsversorgungspins der ICs Ferrite
Beads (z.B. BLM-Typen von Murata) in Serie zu verwenden? Speziell beim
FM-Tuner möchte ich sichergehen, dass sich keine Störungen im Bereich
100 MHz auf der Versorgungsspannung überlagern.
Thomas H. schrieb:> Bei diesem Setup sollte ein gemeinsames Ground keine groesseren Probleme> bereiten, ist ja ohnehin alles auf dem gleichen Board. Schwieriger> wird's wenn es verschiedene Boards mit verschiedenen Netzteilen gibt.
Das stimmt leider nur bedingt. Der Klasse-D Verstärker und ein 5V StepUp
befinden sich auf einer separaten Platine und werden über einen
Steckverbinder mit dem Mainboard verbunden. Gibt es da noch etwas zu
beachten, wo Du die Problematik mit mehreren Platinen bereits
ansprichst?
Besten Dank!
Gruß
Daniel
Daniel P. schrieb:>> Beachte: Nach jedem>> Koppel-C ist wieder ein Widerstamd nach Masse (Bezugspotential) nötig.>> @MaWin: kannst Du dazu bitte noch etwas schreiben? Diese Notwendigkeit> ist mir wirklich nicht klar.
Wenn ein Kondensator nur an einen hochohmigen Eingang geht, stellt sich
an diesem Eingang kein Nullpegel ein. Manche ICs haben den Widerstand
natürlich schon eingebaut.
MaWin schrieb:> Wenn ein Kondensator nur an einen hochohmigen Eingang geht, stellt sich> an diesem Eingang kein Nullpegel ein.
Ah,...okay, das macht natürlich Sinn! Wahrscheinlich ist der Wert dieses
Widerstands dann aber unkritisch, d.h. irgendwas im Bereich 10k - 100k
sollte funktionieren?
> Ah,...okay, das macht natürlich Sinn! Wahrscheinlich ist der Wert dieses> Widerstands dann aber unkritisch, d.h. irgendwas im Bereich 10k - 100k> sollte funktionieren?
Er bildet mit dem Kondensator einen Hochpass, bestimmt also die untere
Grenzfrequenz.
MaWin schrieb:> Er bildet mit dem Kondensator einen Hochpass, bestimmt also die untere> Grenzfrequenz.
Der Eingangswiderstand des ICs liegt dann aber parallel dazu? Denn der
muss ja auch zur Berechnung der Grenzfrequenz herangezogen werden...
Für die GND-Verdrahtung gibt es keine optimale Lösung.
Die IC-Hersteller tun immer so, als wäre ihr Chip der einzige auf der
Platine und dann sollen AGND und DGND nur direkt unter dem Chip
verbunden werden.
Bei größeren Schaltungen muß man daher die Signalwege auftrennen, z.B.
digital mit Optokopplern oder ADUM1401 oder analog mit
Differenzverstärkern oder Trafos.
Tut man das nicht, hört man z.B. bei Notebooks die Festplattenzugriffe
oder Mausbewegungen mit im Kopfhörer. Oder der MP3-Player pfeift
ständig.
Ich habe an meinem PC auch erst einen guten Klang, seitdem ich ihn mit
einem optischen Kabel an den Verstärker angeschlossen habe. Der
Unterschied zum Analogausgang ist schon extrem.
> Der Eingangswiderstand des ICs liegt dann aber parallel dazu? Denn der> muss ja auch zur Berechnung der Grenzfrequenz herangezogen werden...
Wenn der nicht hochohmig ist, muss er eingerechnet werden.
Peter Dannegger schrieb:> Tut man das nicht, hört man z.B. bei Notebooks die Festplattenzugriffe> oder Mausbewegungen mit im Kopfhörer. Oder der MP3-Player pfeift> ständig.
Genau das ist meine Sorge bei dem aktuellen Design! Kritisch sind bei
mir wohl besonders die Audiosignale, die auf der Platine zum größten
Teil single-ended übertragen werden.
Und der Antenneneingang des FM-Tuners, wobei ich diesen
Schaltungsabschnitt an die Unterkante des PCB verschoben habe, damit die
Antennenbeschaltung bestmöglich von digitalen Störquellen entfernt ist.
MaWin schrieb:> Wenn der nicht hochohmig ist, muss er eingerechnet werden.
Naja, 80kOhm beim vs1053 und 10kOhm beim Klasse-D-Verstärker. Also nicht
wirklich hochohmig, meinem Gefühl nach :-)
Macht es Sinn, Serienwiderstände in die SPI-Leitungen zwischen CPU und
Audio-Codec einzubringen, um Störungen aus dem Digitalinterface zu
minimieren oder ist das hier übertrieben?
AGND_AC-Kopplung.png
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