Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Wie erkenne ich möglichst guten (Leitungs)Treiber?


Announcement: there is an English version of this forum on EmbDev.net. Posts you create there will be displayed on Mikrocontroller.net and EmbDev.net.
von Marten M. (mcgonahy148)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo,

anhand welches Parameters erkenne ich an einem IC-Datenblatt ob dieser 
eine möglichst lange Leitung /Leiterbahn (=Leitungskapazität) noch gut 
treiben kann?

Beispiel eines Transceivers:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74lvc8t245-q1.pdf

Hintergrund der Frage - es gibt viele (Transceiver, Driver, Shifter 
etc.) und habe eine recht lange Leitung wo ich CMOS 1,8 oder 5V treiben 
möchte. Daher möchte ich den besten IC nehmen, der mit möglichst viel 
Cap dran klar kommt.


Gruß,
Marten

von Falk B. (falk)


Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
@Marten M. (mcgonahy148)

>anhand welches Parameters erkenne ich an einem IC-Datenblatt ob dieser
>eine möglichst lange Leitung /Leiterbahn (=Leitungskapazität) noch gut
>treiben kann?

Der Ausgangsstrom.

>möchte. Daher möchte ich den besten IC nehmen, der mit möglichst viel
>Cap dran klar kommt.

Man sollte aber aufpassen, daß man nicht einen unnötig schnellen und 
starken Treiber nimmt, der macht dann ggf. wieder neue Probleme, siehe 
Wellenwiderstand.

von Uwe B. (uwe_beis)


Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Bei langen Leitungen müssen reelle Impedanzen getrieben werden, die sich 
aus Kapazitätsbelag und Induktivitätsbelag ergeben. Damit es nicht zu 
Reflektionen kommt, können bzw. müssen die Leitungen abgeschlossen 
werden. Ein Leitungstreiber "sieht" keine Kapazität mehr, deswegen muss 
er nur schnell und niederohmig genug sein. Die zu treibenden Impedanzen 
liegen bei größenordnungsmäßig 100 bis 200 Ohm.

von Michael B. (laberkopp)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Marten M. schrieb:
> Hintergrund der Frage - es gibt viele (Transceiver, Driver, Shifter
> etc.) und habe eine recht lange Leitung wo ich CMOS 1,8 oder 5V treiben
> möchte. Daher möchte ich den besten IC nehmen, der mit möglichst viel
> Cap dran klar kommt.

?!?

Du weisst nicht mal ansatzweise, wie eine Leitung funktioniert.

Relevant sind die hohen Geschwindigkeiten,

weil für hohe Geschwindigkeiten auch hohe Flankensteilheit nötig ist

und die erzeugen Reflektionen (Waveforms).

So funktioniert ein Kabel:

http://www.ti.com/lit/an/sdya010/sdya010.pdf

Und wenn man keinen Ärger will, nimmt man immer den Treiber, der eine 
möglichst geringe Flankensteilheit produziert und trotzdem noch schnell 
genug für die Übertragung ist.

: Bearbeitet durch User
von Marten M. (mcgonahy148)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Uwe B. schrieb:
> Bei langen Leitungen müssen reelle Impedanzen getrieben werden, die sich
> aus Kapazitätsbelag und Induktivitätsbelag ergeben. Damit es nicht zu
> Reflektionen kommt, können bzw. müssen die Leitungen abgeschlossen
> werden. Ein Leitungstreiber "sieht" keine Kapazität mehr, deswegen muss
> er nur schnell und niederohmig genug sein. Die zu treibenden Impedanzen
> liegen bei größenordnungsmäßig 100 bis 200 Ohm.

Hi Uwe,

ok, ja das kenne ich aus der Leitungstheorie. Das Ersatzschaltbild aus 
RLC. Leider bin ich nun nicht mehr in der 50 Ohm Welt, wo mir das meist 
etwas klarer ist. Da fehlt mir manchmal die Brücke rüber zur 
Digitaltechnik.

Die einen reden aber von möglichst viel Strom am IO, die anderen mehr 
von der HF-Thematik "Reflektionen". Die Leitungskapazitäten wollen 
geladen werden. Leitung/Quelle/Verbraucher haben unterschiedliche 
Impedanzen, gibt Reflektionen. Alles richtig.

Aber auf was schaue ich nun primär bei der Auswahl eines 
Leitungstreibers? Iout oder dass seine Impedanz = Leitungsimpedanz? Oder 
oder? :-)


Gruß,
M

von Marten M. (mcgonahy148)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Michael B. schrieb:
> Marten M. schrieb:
>> Hintergrund der Frage - es gibt viele (Transceiver, Driver, Shifter
>> etc.) und habe eine recht lange Leitung wo ich CMOS 1,8 oder 5V treiben
>> möchte. Daher möchte ich den besten IC nehmen, der mit möglichst viel
>> Cap dran klar kommt.
>
> ?!?
>
> Du weisst nicht mal ansatzweise, wie eine Leitung funktioniert.
>
> Relevant sind die hohen Geschwindigkeiten,
>
> weil für hohe Geschwindigkeiten auch hohe Flankensteilheit nötig ist
>
> und die erzeugen Reflektionen (Waveforms).
>
> So funktioniert ein Kabel:
>
> http://www.ti.com/lit/an/sdya010/sdya010.pdf
>
> Und wenn man keinen Ärger will, nimmt man immer den Treiber, der eine
> möglichst geringe Flankensteilheit produziert und trotzdem noch schnell
> genug für die Übertragung ist.

Hallo Michael,

vielen Dank für deinen wertvollen Beitrag! Du konntest natürlich nicht 
wissen, dass in meinem Falle die Taktfrequenz weniger eine Rolle spielt 
(kann auch im niedrigen kHz-Bereich oder geringer sein). Was 
Flankensteilheiten sind und Reflektionen, ist mir bekannt. Danke. Auch 
die Leitungstheorie ist mir schon mal unter gekommen.

Zu deinem tollen Beispiel hunderter Messungen - schön dass man hier 
sieht, was die Theorie sich so einfallen hat lassen. Die Reflektionen 
gefallen mir.

In wie fern mich das nun weiter bringt, kann ich mir nicht erklären. 
Vielleicht hast du nochmal einen schlauen Input.

Mich würde natürlich interessieren, ob ein Treiber-IC dessen Ausgang 
keine Leistung bringt (= Strom), dessen Ausgangsimpedanz aber zur 
Leitung und zum Verbraucher passt, in der Realität noch verwendbar ist. 
Kurzum - auf welchen Parameter schaust du im Datenblatt, damit du das 
Signal von A nach B bekommst, wenn es sich um keine koaxiale Übertragung 
handelt?

von Michael B. (laberkopp)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Marten M. schrieb:
> auf welchen Parameter schaust du im Datenblatt, damit du das
> Signal von A nach B bekommst, wenn es sich um keine koaxiale Übertragung
> handelt?

2000V ESD Robustheit.

Kurzschlussfester Ausgang der bei Kurzschluss nicht gleich die 
Versorgungsspannung der Schaltung runterzieht würe nützlich.

Ein 100 Ohm Widerstand in Seire kann also nicht schaden, gleich passend 
zur Leitungsimpedanz.

Ob Eingangsimpedanz zu Ausgangsimpedanz passt, ist bei gelegentlichem 
Schalten aber egal.

Auch eine begrenzte slew rate damit keine unerwünschten 
Störabstrahlungen und Reflektionen auftreten ist bei gelegentlichem 
Schalten egal.

von Axel S. (a-za-z0-9)


Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Marten M. schrieb:
> Uwe B. schrieb:

>> Ein Leitungstreiber "sieht" keine Kapazität mehr, deswegen muss
>> er nur schnell und niederohmig genug sein. Die zu treibenden Impedanzen
>> liegen bei größenordnungsmäßig 100 bis 200 Ohm.

> ok, ja das kenne ich aus der Leitungstheorie. Das Ersatzschaltbild aus
> RLC. Leider bin ich nun nicht mehr in der 50 Ohm Welt, wo mir das meist
> etwas klarer ist. Da fehlt mir manchmal die Brücke rüber zur
> Digitaltechnik.

Das ist genau das gleiche. Hast du denn nun endlich mal den Artikel 
Wellenwiderstand im hiesigen Wiki gelesen? Wie Falk weiter oben 
empfohlen hatte? Da steht das alles drin.

> Aber auf was schaue ich nun primär bei der Auswahl eines
> Leitungstreibers?

Für dein "SPI über 1 Meter fünfzig bei wenigen Kilohertz"? Vollkommen 
Pillepalle. Ein CMOS-Ausgang HC oder HCT reicht völlig. Verdrillte 
Leitungen (Signal und GND oder bedarfsweise auch Signal und Vcc). Und 
dazu einen Widerstand auf der Treiberseite zur Serienterminierung. 
Twisted pair Kabel hat ca. 100R Impedanz. Ein CMOS-Ausgang etwa 50R. 
Bleiben noch 50R Serienwiderstand. Fertig.

Optional auf der Empfangsseite noch einige Dutzend pF nach GND (gegen 
HF-Einstreuungen) und einen Empfänger mit Schmitt-Trigger 
Charakteristik.

Für die Übertragung solltest du 5V Pegel nehmen. Die Wandlung auf/von 
1.8V dann am anderen Ende der Leitung machen.

von Anja (Gast)


Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Marten M. schrieb:
> Daher möchte ich den besten IC nehmen, der mit möglichst viel
> Cap dran klar kommt.

Den gibt es leider nicht. (Sonst gäbe es nur einen einzigen).

Deine Aufgabenstellung ist unklar: Willst du eine lange (verdrillte 
2-Draht) Leitung (ein Treiber und ein Empfänger) treiben oder ein 
Bus-System auf der Leiterplatte mit vielen Steckverbindern und 
Empfängern daran.
Mit differentiellen Treibern oder mit unipolaren?
Ein elektrisch kurzes System oder elektrisch langes System.
(Treiberanstiegszeit < 2 * Leitungslaufzeit oder darüber).

Uwe B. schrieb:
> Die zu treibenden Impedanzen
> liegen bei größenordnungsmäßig 100 bis 200 Ohm.
Ich halte 100 Ohm für die Obergrenze. 200 Ohm sind eine gute 
Sendeantenne (Faltdipol) aber keine gute Übertragungsstrecke.
Bei Bus-Systemen (VME-Bus) sind es eher maximal 50 Ohm die im 
schlimmsten Fall in der Mitte getrieben werden müssen.

Gruß Anja

von Klaus R. (klara)


Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
Anja schrieb:
> Marten M. schrieb:
>> Daher möchte ich den besten IC nehmen, der mit möglichst viel
>> Cap dran klar kommt.

Sag doch nur wie lang die Leitung ist und wie hoch die Taktfrequenz ist. 
Wer ist denn der Receiver?
mfg Klaus

von Marten M. (mcgonahy148)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Klaus R. schrieb:
> Anja schrieb:
>> Marten M. schrieb:
>>> Daher möchte ich den besten IC nehmen, der mit möglichst viel
>>> Cap dran klar kommt.
>
> Sag doch nur wie lang die Leitung ist und wie hoch die Taktfrequenz ist.
> Wer ist denn der Receiver?
> mfg Klaus

1-2m, SPI, niedriger kHz-Bereich

von Marten M. (mcgonahy148)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Anja schrieb:
> Deine Aufgabenstellung ist unklar: Willst du eine lange (verdrillte
> 2-Draht) Leitung (ein Treiber und ein Empfänger) treiben oder ein
> Bus-System auf der Leiterplatte mit vielen Steckverbindern und
> Empfängern daran.
> Mit differentiellen Treibern oder mit unipolaren?
> Ein elektrisch kurzes System oder elektrisch langes System.
> (Treiberanstiegszeit < 2 * Leitungslaufzeit oder darüber).

Ok, sorry :-)

Es gibt eine MCU/uC der SPI generiert und auch empfängt. An diesem ein 
Kabel von ca. 1-2m. Am anderen Ende hängen mehrere Verbraucher in einer 
Bus-Struktur auf Platine. Bus halt für das MOSI, CLK Signal. CS und MISO 
sind einzeln geführt.

uC spricht 5V CMOS, Verbraucher 1,8V CMOS.

Also Leitung würde ich dann schon als elektrisch lange bezeichnen. 
Zwischen Verbrauchern und Master muss noch ein Levelshifter um die 
5V-->1,8V bzw. 1,8V-->5V zu übersetzen.

von Anja (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo,

da hast Du dir aber einen ungünstigen Fall ausgesucht.
Eine lange Übertragungsstrecke mit 100-120 Ohm und dann viele kapazitive 
Lasten (nicht gleichmäßig verteilt) am Ende.

Wenn das zuverlässig funktionieren soll würde ich die 
Übertragungsstrecke von der Signalverteilung elektrisch trennen.
-> Die Übertragungsstrecke hat dann genau einen Sender und einen 
Empfänger je Leitung. Alles andere befindet sich hinter den 
Leitungstreibern/Empfängern.

Ich würde da ich sowieso eine Trennung brauche gleich noch mittels RS232 
oder RS422/RS485 (oder CAN) die Anzahl der Leitungen reduzieren wollen. 
SPI ist nicht für lange Leitungen gedacht und macht außerhalb der 
Leiterplatte nur Ärger.

Gruß Anja

von Klaus R. (klara)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Marten M. schrieb:
> Also Leitung würde ich dann schon als elektrisch lange bezeichnen.

Elektrisch lang ist solch eine Leitung wenn Wellenphänomene auftauchen.

Marten M. schrieb:
> 1-2m, SPI, niedriger kHz-Bereich

Bei 1 MHz haben wir eine Wellenlänge von 200 m. Also in Deinem Fall 
benimmt sich der Strom noch wie Strom. Die Kapazität der Receiver, hier 
weniger der Leitung, spielt aber eine Rolle. Die Rechtecke werden 
verschliffen.

Anja schrieb:
> Wenn das zuverlässig funktionieren soll würde ich die
> Übertragungsstrecke von der Signalverteilung elektrisch trennen.
> -> Die Übertragungsstrecke hat dann genau einen Sender und einen
> Empfänger je Leitung. Alles andere befindet sich hinter den
> Leitungstreibern/Empfängern.

Anja hat Dir schon eine vernüftige Lösung genannt. Mach es so.
mfg Klaus

von Axel S. (a-za-z0-9)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Anja schrieb:
> da hast Du dir aber einen ungünstigen Fall ausgesucht.
> Eine lange Übertragungsstrecke mit 100-120 Ohm und dann viele kapazitive
> Lasten (nicht gleichmäßig verteilt) am Ende.

Ähhm.

> Wenn das zuverlässig funktionieren soll würde ich die
> Übertragungsstrecke von der Signalverteilung elektrisch trennen.

Ja, natürlich würde man das so machen. Schon wegen der Pegelwandlung. 
Die "lange" Strecke mit 1.8V oder gar gemischt 1.8V und 5V Pegel zu 
fahren ist unsinnig. Man wird schön den höheren Störabstand für 5V 
mitnehmen. Und dann auf der fernen Seite nach der Signalregenerierung 
den Pegel wandeln und die gebufferten 1.8V Signale lokal verteilen.

Man müßte halt noch ein bißchen was über die "Leitung" wissen. Die 
Impedanz sollte schon halbwegs bekannt und vor allem über die Länge 
konstant sein.

von Egon D. (egon_d)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Klaus R. schrieb:

> Marten M. schrieb:
>> Also Leitung würde ich dann schon als elektrisch
>> lange bezeichnen.
>
> Elektrisch lang ist solch eine Leitung wenn
> Wellenphänomene auftauchen.
>
> Marten M. schrieb:
>> 1-2m, SPI, niedriger kHz-Bereich
>
> Bei 1 MHz haben wir eine Wellenlänge von 200 m.

Das stimmt -- spielt aber keine Rolle, denn das
gilt für Sinus.

Wenn die Flankensteilheit bei 10ns liegt, landen
wir grob geschätzt schon bei 50MHz, also 4m Wellen-
länge.

von Der Zahn der Zeit (Gast)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Anja schrieb:
> Uwe B. schrieb:
>> Die zu treibenden Impedanzen
>> liegen bei größenordnungsmäßig 100 bis 200 Ohm.
> Ich halte 100 Ohm für die Obergrenze.
Hmmm... Eine 0,2 mm breite MicroStrip mit 0,2 mm Dielektrikum (FR4) hat 
ca. 63 Ohm. Eine Stripline sogar nur 40 Ohm. Das ist so ungefähr das 
eine Extrem. Andererseits kommt eine 0,2 mm breite MicroStrip auf einer 
2-seitigen LP, also 1,6  mm Dielektrikum, auf ca. 140 Ohm. Das sind die, 
mit denen ich oft zu tun habe. Viel mehr wird es dann aber tatsächlich 
nicht mehr. (Bei Flachkabeln mit einer Signalader zwischen 2 
Masseleitungen kommt man auch auf ca. 100 Ohm.)

Prinzipiell zu Ausgangsfrage: Wenn am Ende einer langen Leitung viele 
Teilnehmer über eine kurze Distanz die Leitung kapazitiv belasten, kann 
man das so betrachten, dass - vorausgesetzt, an der Quelle gibt es zur 
Verhinderung von Effekten durch Reflektionen einen Serienwiderstand mit 
Leitungsimpedanz - an dem "kurzen" Ende eine ohmsche Quelle mit einer 
Kapazität belastet wird. Dass das Ganze also ein klassischer RC-Tiefpass 
ist. Wichtig: Lang heißt: Erheblich viel länger als die zur 
Flankensteilheit gehörende Strecke. Kurz heißt genau das Gegenteil.

Bei gleichmäßig verteilten kapazitiven Lasten in nicht zu großen 
Abständen (-> Bus) lässt sich das auch noch ganz gut beherrschen, weil 
die Leitungsimpedanz einfach nur geringer wird.

Mit eine "besseren" Leitungstreiber kann man da gar nichts verbessern.

von Peter D. (peda)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Marten M. schrieb:
> 1-2m, SPI, niedriger kHz-Bereich

Dann reicht als Sender ein normaler CMOS-Ausgang mit 50..100Ω in Reihe.
Kritisch ist allerdings, daß die Empfänger Reflexionen noch nicht als 
Nutzsignal erkennen dürfen, also entsprechend langsam sind.
Als Filter auf der Empfängerseite nehme ich daher gerne langsame 
Schmitt-Trigger, z.B. CD4093, CD40106. Es müssen richtige 
Schmitt-Trigger sein mit hoher Hysterese.

von Marten M. (mcgonahy148)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Axel S. schrieb:
> Ja, natürlich würde man das so machen. Schon wegen der Pegelwandlung.
> Die "lange" Strecke mit 1.8V oder gar gemischt 1.8V und 5V Pegel zu
> fahren ist unsinnig. Man wird schön den höheren Störabstand für 5V
> mitnehmen. Und dann auf der fernen Seite nach der Signalregenerierung
> den Pegel wandeln und die gebufferten 1.8V Signale lokal verteilen.
>
> Man müßte halt noch ein bißchen was über die "Leitung" wissen. Die
> Impedanz sollte schon halbwegs bekannt und vor allem über die Länge
> konstant sein.

Der Plan war ja auch die 5V CMOS Ausgänge des Arduinos zu verwenden und 
zu übertragen. Erst dort dann auf 1,8V Wandeln.

Die Leitung ist entweder ein Flachbandkabel oder Twisted Pairs.

von Marten M. (mcgonahy148)


Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Egon D. schrieb:
> Wenn die Flankensteilheit bei 10ns liegt, landen
> wir grob geschätzt schon bei 50MHz, also 4m Wellen-
> länge.

Immer noch weit von meinen 1,5m entfernt.

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.
Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt.
Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten,
für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.