CMOS push-pull output Beschaltung

[Markus W. (mawuausn)]

Liebe Foren Gemeinde

Normalerweise verbauen  wir TMR IC's auf einer kleinen PCB in ein 
Gehäuse und bauen wie vom Hersteller empfohlen einen Kondensator 
zwischen VCC und Ground ein.
Datenblatt : TMR1308S
https://www.dowaytech.com/en/index.php?c=download&id=2655
Der Kondensator fehlt aber in der Skizze im Anhang.
Nun habe ich Fragen bekommen, diese würde ich gerne hier in die Runde
stellen und hoffe, dass jemand dabei ist der tiefer in der elektronik
steckt und mir da weiterhelfen kann!?
Der Sensor soll zum "normalen" Betrieb aus Diagnose Grünen gemäß Anhang 
betrieben werden:

***Zitat Anfang****
Aus Sicherheitsgründen müssen wir unterschiedliche Fehler erkennen
können, u.A. ob das Sensorsignal noch an unsere Platine angeschlossen
ist oder ob der Sensor noch schalten kann.
Dazu haben wir zurzeit mehrere Maßnahmen umgesetzt. Dazu gehört
-VCC des Sensors schalten
-PullUp Widerstand an der Signalleitung angeschlossen
Dabei ist uns aufgefallen, dass der Sensor Rückwerts über das
Sensorsignal bestromt wird, wenn VCC abgeschaltet wird.
Um dies zu verhindern haben wir zzgl. noch einen PullDown Widerstand
angeschlossen um die Spannung auf ~0,5V – 0,8V auf der Signalleitung zu
reduzieren.
Die Fragen sind:

Sehen sie ein Problem, wenn wir zu Diagnosezwecken die 
Signalleitung(Ausgang) mit
einem PullUp auf 3V3 ziehen?
Sehen sie ein Problem, wenn der Sensor während VCC deaktiviert ist eine
aktive Spannung auf der Signalleitung von ~0,5V – 0,8V „sieht“?

****Zitat Ende******

Vielen Dank schon mal im Voraus und allen einen schönen Tag

Viele Grüße Markus

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Markus W. schrieb:
> bauen wie vom Hersteller empfohlen einen Kondensator zwischen VCC und
> Ground ein.
Genau so gehört das.

> Der Kondensator fehlt aber in der Skizze im Anhang.
Nicht direkt, da ist der C400 drin. Jetzt kommt es darauf an, wie lange 
die Leitung zum Sensor ist. Wenn die nur 3cm lang ist, kann das gut 
gehen.

Wen die Zuleitung länger ist, dann ist das ein Designfehler. Der übliche 
Blockkondensator gehört immer direkt an ein IC und bedarf deshalb 
eigentlich keiner besonderen Erwähnung. Die Datenblattperformance 
erreicht der Sensor nur, wenn du den Kondensator in unmittelbarer Nähe 
dranlötest. Also direkt an dessen Versorgungspins. Wenn du den weglässt, 
dann kann das passieren, was im Kapitel 9 beschrieben ist. Dass es dort 
einen solch expliziten Hinweis gibt, kommt meist davon, dass der 
Hersteller diese Erfahrung bitter machen musste.

Also solltest du genau abwägen, ob du dieses Risiko eingehen willst. Ein 
Tipp aus Erfahrung: auch wenn (d)ein Testaufbau zufällig "gut 
funktioniert", wird dich sowas im Feld einholen.

> dass der Sensor Rückwerts über das
> Sensorsignal bestromt wird, wenn VCC abgeschaltet wird.
Dieser Effekt überrascht nur Anfänger. Er ist altbekannt und nennt sich 
"parasitäre Versorgung". Im Allgemeinen werden dabei ebenfalls die 
Spezifikationen aus dem Abschnitt "Absolute Maximum Ratings" verletzt. 
Wie gut und ob der Sensor nach solchen Verletzungen noch funktioniert, 
wird keiner garantieren.

[Wastl (hartundweichware)]

An den TO:

Wie Recht er doch hat, der Loddar. Man kann es nicht oft genug sagen.

Lothar M. schrieb:
> Also solltest du genau abwägen, ob du dieses Risiko eingehen willst. Ein
> Tipp aus Erfahrung: auch wenn (d)ein Testaufbau zufällig "gut
> funktioniert", wird dich sowas im Feld einholen.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Bei CMOS Push-Pull ist der Abblockkondensator Pflicht, weil es eine 
Eigenart der Stufe ist, das kurze Zeit beim Flankenwechsel beide 
Endstufen leiten. Dadurch entstehen Stromspitzen auf der Versorgung, die 
der C abfängt.

[Markus W. (mawuausn)]

Hallo zusammen,
zuerst möchte ich mich herzlichst für die schnellen Antwort bedanken.

Zum Thema Kondensator habe ich mich wohl etwas unglücklich ausgedrückt. 
Wir haben/werden diesen Blockkondensator in unmittelbarer Nähe zum IC 
verbauen, dieser fehlt lediglich in der angehöngten Skizze, deshalb habe 
ich das explizit erwähnt. Es war nicht die Rede diesen weg zulassen.

Trotzdem sehr sachliche und gute Antworten...

[Markus W. (mawuausn)]

Lothar M. schrieb:
>> dass der Sensor Rückwerts über das
>> Sensorsignal bestromt wird, wenn VCC abgeschaltet wird.
> Dieser Effekt überrascht nur Anfänger. Er ist altbekannt und nennt sich
> "parasitäre Versorgung". Im Allgemeinen werden dabei ebenfalls die
> Spezifikationen aus dem Abschnitt "Absolute Maximum Ratings" verletzt.
> Wie gut und ob der Sensor nach solchen Verletzungen noch funktioniert,
> wird keiner garantieren.

Ich habe befürchtet dass das dem Mosfet nicht "schmeckt" wenn der 
Ausgang hochgezogen werden sollte, aber wirklich erklären konnte ich das 
leider nicht. Könntest du mir bitte freundlicher weise bei diesem Punkt 
etwas mehr dazu schreiben!?

Auf die Gefahr dass ich vor lauter Bäumen den Wald nicht sehe und mich 
völlig blamiere frage ich trotzdem.... Bei "Absolute Maximum Ratings" 
spielst du auf den Wert Output current ISINK and ISOURCE bzw. die Pull 
Phase an oder!?
(Darf ich den Link hier überhaupt setzen?)
https://open4tech.com/open-drain-output-vs-push-pull-output/
Vielen Dank nochmal.

Markus W.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Markus W. schrieb:
> Ich habe befürchtet dass das dem Mosfet nicht "schmeckt" wenn der
> Ausgang hochgezogen werden sollte, aber wirklich erklären konnte ich das
> leider nicht. Könntest du mir bitte freundlicher weise bei diesem Punkt
> etwas mehr dazu schreiben!?
Es "schmeckt ihm nicht, wenn z.B. der Ausgang z.B. mit einem Pulldown 
"hochgeozgen" wird, während Vcc weg ist. Denn dann leitet die Bodydiode 
des P-Kanal Ausgangsfets und lässt Strom nach Vcc des Sensors fließen. 
Der wird somit parasitär versorgt, und wenn er dann etwas erkennt, was 
den Ausgang "low" werden lassen sollte, dann zieht der sich den 
Ausgangspin selber auf low. Er versucht es zumindest...

> Bei "Absolute Maximum Ratings" spielst du auf den Wert Output current
> ISINK and ISOURCE bzw. die Pull Phase an oder!?
Ich spiele im Prinzip darauf an, dass in den Absolute Maximum Ratings 
spezifiziert sein sollte, in welchem Spannungsbereich sich der 
Ausgangspin in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung befinden muss. 
So ein Wert, der in anderen Datenblättern z.B. "other pins with respect 
to GND" heißt, ist dort aber nicht angegeben. Es gibt lediglich in den 
Electrical Characteristics den Hinweis, dass sich der Ausgang beim 
Betrieb im Bereich von 0..Vcc bewegt.

Es steht aber nirgends welche Spannung an diesem Ausgangspin anliegen 
darf, wenn z.B. Vcc nicht angeschlossen und deshalb im Grunde Vcc=0V 
ist.


Markus W. schrieb:
> Fehler erkennen können, u.A. ob das Sensorsignal noch an unsere
> Platine angeschlossen ist
Diese Frage kann mit der obigen Schaltung in Grenzen beantwortet werden.

> oder ob der Sensor noch schalten kann.
Das steht auf einem völlig anderen Blatt.

> Sehen sie ein Problem, wenn der Sensor während VCC deaktiviert ist
Also Vcc=0V...

> eine aktive Spannung auf der Signalleitung von ~0,5V – 0,8V „sieht“?
Diese Frage kann leider nur der Hersteller beantworten.

Zusammengefasst: die beiden Bodydioden der Mosfets sind quasi die 
"ESD-Schutzdioden" des Ausgangs. Allerdings taugen sie nicht wirklich 
viel, wenn die Ausgangsfets selbser nur 9mA aushalten.

Diese +-9 mA Ausgangsstrom in den Absolute Maximum Ratings (und der sehr 
geringe Versorgungsstrom) sind für mich ein klarer Hinweis, dass wir es 
hier tendenziell mit einem Sensibelchen zu tun haben.

[Rainer W. (rawi)]

Markus W. schrieb:
> Ich habe befürchtet dass das dem Mosfet nicht "schmeckt" wenn der
> Ausgang hochgezogen werden sollte, aber wirklich erklären konnte ich das
> leider nicht.

Den MOSFET selbst betrifft das gar nicht. Der Strom fließt durch seine 
Substratdiode und die ist dafür nicht ausgelegt.

[Gerd E. (robberknight)]

Markus W. schrieb:
> -PullUp Widerstand an der Signalleitung angeschlossen
> Dabei ist uns aufgefallen, dass der Sensor Rückwerts über das
> Sensorsignal bestromt wird, wenn VCC abgeschaltet wird.
> Um dies zu verhindern haben wir zzgl. noch einen PullDown Widerstand
> angeschlossen um die Spannung auf ~0,5V – 0,8V auf der Signalleitung zu
> reduzieren.

Leider ist Dein Schaltplan nur schwer zu lesen, zu geringe Auflösung.

Sehe ich das richtig dass der 1,5 kOhm Pulldown schaltbar ist und nur 
aktiviert wird wenn Du regelmäßig den Test machst ob der Sensor noch 
richtig verbunden ist?

Was für Widerstandswerte hast Du für den (permanent verbundenen) Pullup?

Beachte dass der Ausgang des Sensors stark genug sein sollte dagegen zu 
treiben und Du trotz Leitungswiderstand immer noch einen sauberen 
Logikpegel bekommst. Meiner Erfahrung nach haben solche Sensoren oft 
keine besonders kräftigen Push/Pull-Stufen. Das Datenblatt lässt sich 
nur dazu aus dass der Abs. Max. Strom 9 mA ist. Das heißt aber noch lang 
nicht dass der mit normalen Spannungen die 9 mA auch erreicht. Rechne 
z.B. mal mit ner Impedanz von 500 Ohm.

Warum machst Du es nicht andersrum? Also hochohmiger permanenter 
Pulldown von z.B. 100kOhm. Dann hast Du keine parasitäre Versorgung des 
Sensors mehr. Dazu einen schaltbaren Pullup mit einem Widerstand gegen 
den der Sensor gut treiben kann, z.B. 10 kOhm.

Wenn es einen Leitungsbruch gab, hast Du normal einen Low-Pegel durch 
den Pulldown. Wenn Du den Pullup aktivierst, bekommst Du einen sicheren 
High-Pegel.
Ist der Sensor dagegen noch dran und er gibt Low aus, kann das 
Aktivieren des Pullups den Pegel nicht verändern. Ein High-Signal ohne 
Aktivieren des Pullups muss immer vom Sensor kommen.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Gerd E. schrieb:
> Was für Widerstandswerte hast Du für den (permanent verbundenen) Pullup?
Ich sehe dort in Summe ca. 10,5k.

> Warum machst Du es nicht andersrum? Also hochohmiger permanenter
> Pulldown von z.B. 100kOhm.
Das Problem hier ist nicht eine Unterbrechung der Signalleitung, sondern 
einer der Fälle, wo eine der beiden Versorgungsleitungen unterbrochen 
ist.

Das gilt hier besonders deshalb, weil der Sensor nur gsnz wenig Strom 
zur Versorgung benötigt. Da ist jeder aus EMV-Sicht noch vertretbare 
Serien- bzw Vorwiderstand niederohmig genug, um den Sensor anlaufen zu 
lassen.

[Markus W. (mawuausn)]

Guten Morgen liebe Forengemeinde,

wow bin begeistert über soviel gute und detailierte Antworten.
Damit ist mir erst mal sehr geholfen, vielen Dank dafür!!

Euch allen einen schönen Tag!!

Viele Grüße
Markus

[Gerd E. (robberknight)]

Lothar M. schrieb:
>> Warum machst Du es nicht andersrum? Also hochohmiger permanenter
>> Pulldown von z.B. 100kOhm.
> Das Problem hier ist nicht eine Unterbrechung der Signalleitung, sondern
> einer der Fälle, wo eine der beiden Versorgungsleitungen unterbrochen
> ist.

Ok. Sagen wir mal Du packst 2 Schottky-Dioden in Serie zu VCC und GND 
direkt an den Sensor, z.B. BAT54S. Dann kann die parasitäre Versorgung 
nichts zerstören.

Wir haben die von mir vorher vorgeschlagene Pulldown-Lösung 
implementiert und es ist die Leitung zu Vcc vom Sensor unterbrochen, die 
beiden anderen Leitungen sind intakt. Der Controller merkt dass der 
Sensor die ganze Zeit Low ausgibt und will auf Kabelbruch testen. Er 
aktiviert kurz den schaltbaren Pullup. Der Sensor wird jetzt über die 
Pullup, die Signalleitung und die Diode parasitär versorgt.

Im Fall dass der Sensor High ausgeben will, sehen wir weiterhin High auf 
der Signalleitung. Da das Aktivieren des Pullups den Pegel von Low auf 
High geändert hat kann der Controller einen Kabelbruch erkennen.

Im Fall dass der Sensor Low ausgeben will zieht er sich selbst den Boden 
unter den Füßen weg. Die Spannung dürfte sich irgendwo im undefinierten 
Bereich einpendeln oder auch pulsieren wenn der Sensor ständig resettet. 
Den Fall müsste man testen.

Im Zweifel schaltbare Pullups und Pulldowns. Evtl. hat der verwendete 
Controller die schon integriert, dann muss man nix extra bestücken.

Wenn man noch weiter gehen möchte, dann einen ADC zusätzlich verwenden. 
Mit Schalten der Pullups/-downs und ADC-Messungen bei jedem Schritt kann 
man dann grob die Impedanz der Signalleitung berechnen. Spätestens dann 
werden unterbrochene Signal- oder Versorgungsleitungen offensichtlich.

[Rainer W. (rawi)]

Gerd E. schrieb:
> Das Datenblatt lässt sich
> nur dazu aus dass der Abs. Max. Strom 9 mA ist. Das heißt aber noch lang
> nicht dass der mit normalen Spannungen die 9 mA auch erreicht. Rechne
> z.B. mal mit ner Impedanz von 500 Ohm.

Statt mit irgendeinem hergeholten Wert zu rechnen, könnte man die 
Ausgangsimpedanz besser einmal bestimmen. Auch wenn das dann nur für 
diesen einen Sensor gilt, ist das besser, als mit einem geratenen Wert 
zu kalkulieren.