Warum analoge und digitale Masse trennen?

Hallo,

ich habe mir einige Threads über analoge und digitale Masseführung angesehen. Zusätzlich sehe ich in Appnotes immer wieder getrennte Versorgungen von digitalen und analogen Baugruppen(eher Baugrüppchen). Dort werden zwei Trafo's (Netz->16V) + Gleichrichter + Konstantquelle benutzt. Eine Trennung von analoger und digitaler Welt schon ab dem Trafo(?).

Was ich aber immer noch nicht endgültig begriffen habe: Aus welchem Grund oder welchen Gründen wird denn so ein Aufwand betrieben? Ist das nur Vorsicht oder hat das ganz handfeste Gründe?

Sven

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Sven Schulz
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A-ller-dings! Die schnellen Schaltvorgänge der digitalen Schaltungsteile bewirken an der Induktivität der "digitalen" Masse Spannungsdifferenzen, die man in analogen Schaltungsteilen nicht haben will.

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Stefan Huebner

Hallo Sven,

Damit Leute wie ich immer schoen Auftraege bekommen :-D

Meist geht Split Ground voll in die Hosen. Wenn ein System keinen oder nur wenige bedrahtete Kontake zur Aussenwelt hat, kann es schon mal gutgehen. Ansonsten nicht, da hatte ich im Nachhinein bei Kunden immer alles auf eine Plane umgearbeitet. Aber pssst, nicht weitersagen. Jedenfalls nicht, bovor ich in den Ruhestand gehe und das dauert noch.

Ein Fall, wo ich Grounds trenne, weil Vorschrift und notwendig: Wenn z.B. volle elektrische Patientenisolation notwendig ist.

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Gruesse, Joerg

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Joerg

"Sven Schulz"

digitales Zeug erzeugt hochfrequente Sachen. Deshalb trennt man das. Man kann aber durch entsprechende Tiefpässe Massen oft gut zusammenführen.

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Kosst Amojan

Es hat den ganz handfesten Grund, dass eine Leiterbahn nicht nur einen realen Widerstand hat, sondern auch eine Induktivität. Den Widerstand bekommt man mit dickem Kupfer weg, die Induktivität kann man höchstens durch Flächenbildung reduzieren.

Und nun kommt es darauf an, welcher Strom wo fließt:

Wenn eine digitale Komponente infolge schneller Stromänderungen auf der Versorgung, die diese Komponente verursacht, das Massepotenzial temporär verschiebt (denn die Induktivität ist ein frequenzabhängiger Widerstand, und je schneller geschaltet wird, umso höhere Frequenzen treten auf, umso größer ist der Scheinwiderstand), dann bekommen das auch an diesem Massepotenzial angeschlossene analoge Komponenten als massive Störung mit. Und das möchte man nicht und deshalb trennt man analoge und digitale Stromkreise, einschließlich des Massepotenzials.

Gruß Oliver

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Oliver Bartels + Erding, Germany + obartels@bartels.de
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Oliver Bartels

"Kosst Amojan" schrieb im Newsbeitrag news:46af8bc7$0$5711$ snipped-for-privacy@newsspool2.arcor-online.net...

Hallo,

Tiefpässe sollten dann wo sitzen?

Sven

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Sven Schulz

"Oliver Bartels" schrieb im Newsbeitrag news: snipped-for-privacy@4ax.com...

Hallo,

welche digitale Komponente kann denn eine so starke Stromänderung hervorrufen?

Sven

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Sven Schulz

Das mag gehen, wenn Du schnelle Sachen machst, aber nicht, wenn Du richtig schnelle Sachen machst, weil auch die Plane sehr wohl hochfrequent unterschiedliche Spannungen an unterschiedlichen Stellen aufweisen kann. Eine Plane hat eine geringere Induktivität als eine Leitung pro Längenabschnitt, sie verhält sich _mit_Gegenplane_ mehr als Leitungselement denn als Induktivität, aber unendlich schnell und gut leitet sie auch nicht.

Ich rede hier von A/D Wandlern >>100MSPS und DSP Cores mit vielen hundert MHz Takt (z.B. Blackfin oder TI 64K) mit viel schneller digitaler Peripherie, nicht von 8051 Controllern ;-)

Dann ist es besser, überall in die Aussenwelt Filter zu spendieren als intern ein nicht lösbares Problem durch vagabundierende Masseströme auf der Plane zu haben.

Beispiel: Eine 2,4 GHz (12cm Band) Patchantenne hat auf ca. epsilon_r 4 Substrat eine Größe von ca. 3cm. Diese Frequenz ist heute mit Rechteckoberwellen ganz schnell erreicht. Und bei der ist an der einen Kante genau das entgegengesetzte Potential wie an der anderen, in der Mitte ist die Spannung Null ;-)

Eine größere Plane hat ergo eine noch niedrigere Resonanz- frequenz. Und wenn da Dein Analogteil an der falschen Stelle sitzt, hast Du Pech gehabt ...

Gruß Oliver

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Oliver Bartels + Erding, Germany + obartels@bartels.de
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Oliver Bartels

Hallo Oliver,

Das hatten wir schon Anfang der 90er: 400MSPS, musste dann auf 12bit erweitert werden und auch noch mehrere ADCs genau im Gleichschritt. Mitlaufender automatischer Abgleich, Platinengroesse "Family Size Pizza". Hatten die Jungs dann einen Split gemacht und es pfiff wie die Voegel im Urwald. Alles zugeloetet und es war Ruhe im Karton.

Die Auswahl der Stelle muss eben gekonnt sein. Werden wir in 2-3 Monaten sehen, dann duerften die anderen bei einem Kunden soweit sein. 2.4GHz auf Kuchenblech und sie haben die Empfehlung eines Common Ground sofort angenommen (was beileibe nicht der Normalfall ist). Die leidigen Stoerungen in der Messaufnahme waren damit schon mal wie weggepustet und die R&D Leiterin konnte beruhigt eine Woche Urlaub nehmen. Sie hatte wohl schon damit gerechnet, das er wieder mal ins Wasser faellt. Funk kommt als naechstes.

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Gruesse, Joerg

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Joerg

Sven Schulz schrieb:

Hallo,

durch das hochfrequente Schalten mit Digitalpegel können starke Störströme auf der Masserückleitung fliessen. Diese mache sich im Anlogteil besonders bei hoher Verstärkung, hoher Bandbreite und hohen Ansprüchen an die Signalqualität störend bemerkbar.

Im Analogteil wird oft auch noch nach getrennten Masseleitungen als Referenzmasse und Stromversorgungsmasse unterschieden.

Bernd Mayer

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Bernd Mayer

JEDE! Jedes halbwegs aktuelle IC, jedes HC-Gatter, jedes Latch, jeder Speicher, jeder Microcontroller. Und das nicht nur bei GHz-Taktfrequenzen, sondern auch, wenn ein HCMOS-Zähler nur einmal in der Sekunde eins weiterzählt, werden jedes Mal extrem kurze, aber hohe Stromspitzen "produziert". Wenn dann noch in schneller Folge geschaltet wird, wird aus diesen kurzen Erscheinungen im Mittel ein veritabler Stromfluss. Entscheidend ist aber, dass jede Stromänderung an jeder Induktivität, und damit jeder realen Leitung, und sei sie noch so kurz, eine Spannungsänderung hervorruft. Wenn man dann keine geeigneten Maßnahmen ergreift, kann die Störspannung sich ausbreiten und Signale verfälschen. Da hilft auch, im Gegensatz zu Makus' Behauptung, kein Tiefpass etwas, er lässt die Signale bei richtiger Platzierung zwar toll aussehen, eliminiert aber nicht die Ursache. Die einzige Störungsbekämpfung kann daher nur lauten, Störungen in ihrer Entstehung zu unterbinden. Da dass kaum möglich ist, muss man ihre Ausbreitung verhindern. Wenn sie die Nutzsignale erstmal versaut haben, kann man sich dumm und blöd filtern - vor allem entstellt man damit die Nutzsignale.

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Stefan Huebner

Sven Schulz schrieb:

Hallo,

durch das hochfrequente Schalten mit Digitalpegel können starke Störströme auf der Masserückleitung fliessen. Diese machen sich im Analogteil besonders bei hoher Verstärkung, hoher Bandbreite und hohen Ansprüchen an die Signalqualität störend bemerkbar.

Im Analogteil wird oft auch noch nach getrennten Masseleitungen als Referenzmasse und Stromversorgungsmasse unterschieden.

Bernd Mayer

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Bernd Mayer

"Sven Schulz" schrieb im Newsbeitrag news:46af86c0$0$5698$ snipped-for-privacy@newsspool2.arcor-online.net...

Masse ist auch nur eine Leitung.

Das heisst, auch an Masseleitungen entsteht ein Spannungsabfall.

Die Spannung schwankt im Verlauf einer Masseleitung in Abhaengigkeit vom Strom der darueber gezogen wird, und schnelle Stromaenderungen pflanzen sich als Spannungseinbruchwelle fort.

Klar, man versucht, dagegen was zu tun, durch Stuetzkondensatoren, per Drossel abgegrenzte Versorgungsbereiche, besonders dicke und damit niederohmge und niederinduktive Leitungen, aber wenn es auf Genauigkeit ankommt, z.B. 16 bit A/D-Wandler oder rauschfreie Analogtechnik, muss man einfach akzeptieren, das "Masse" nicht ueberall dieselbe Spannung (von 0.0000V) hat.

Dann gibt es genau einen Ort, an dem Masse auf demselben Potential sein muss, damit Masse des Analogteils mit Masse des Digitalteils auf die letzte Nachkommastelle uebereinstimmt: Am A/D-Wandler. Dort muss Analogmassse und Digitalmasse zwangsweise verbunden sein (es sei denn, der A/D-Chip ist es egal wegen Differenzbildung und extrem gutem CMRR).

Im weiteren Verlauf der Masseleitung gibt es aber andere Potentiale. Das macht Digitalchips nicht so viel aus, ob der eine Chip eine Masse von 0.1 sieht und der andere von -0.05V, aber bei Analogtechnik will man diese Schwankungen raushalten. Da bei Analogtechnik ueber die Bezugsmasse auch keine relevanten Stroeme fliessen, ist das auch relativ einfach, aber woher bezieht man die positive und negative Versorgungsspannung der Analogschaltung? Aus der Versorgungsspannung der Digitalschaltung? Kann man machen, kostet dicke Filter, daher nimmt man gerne einen eigenen Trafo. Und dessen Masse ist nun mit der Masse des Digitalteils bereits an einem Ort verbunden, eben am A/D Wandler, und DARF daher nicht an einem zweiten Ort verbunden werden, z.B. am Trafo, denn sonst verbindest du erstens zwei Punkte nicht exakt gleicher Spannung miteinander (wie gesagt, Masse hat nicht ueberall

0.0000V), und schaffst zum zweiten eine Kreisleitung, eine Spule aus einer Windung, in die phantastisch Stoerungen reininduzieren oder EMV Sauereien rausgehen.

Da aber Masse moeglichst nicht leitungsfoermig sein soll, damit eben keine Antennenwirkung und Einstrahlungen und unterschiedliche Potentiale passieren, hat man lieber Masseflaechen. Platziert man rechts vom D/A-Wandler die Digitaltechnik und links davon die Analogtechnik, fliessen sowieso keine Stroeme ueber die jeweils andere Platinenhaelfte. Man muss nur die Spannungsversorgung auch in der jeweiligen Haelfte anschliessen. Merke: Stroeme in Masseflaechen fliessen jeweils auf dem kuerzesten Weg (Luftlinie) und niemals einen Umweg. Eine elektrische Trennung der Masseflaeche, nur um 'vagabundierende' Stroeme abhalten zu wollen, ist unnoetig und verschlechtert EMV (es ergeben sich Schlitzantennen etc.).

Die Kopplung der Analogseite und Digitalseite darf also durchaus breit sein, nicht nur an einem Pin:

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MaWin

Hallo Sven,

Am schlimmsten sind IME groessere RAM Bereiche. Wobei wir auch die mit Common Ground erledigen, plus gt abgepufferter Versorgungsspannung.

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Gruesse, Joerg

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Joerg

Vorsicht: Strom nimmt den Weg des geringsten Widerstands, hochfrequente Ströme fließen ergo auf dem Pfad mit der kleinsten Induktivität, das ist ein kleiner, aber feiner Unterschied.

Der Weg wird in vielen Fällen die Luftlinie sein, muss aber nicht. Zudem hat so eine Platine auch Abblock-C's, die manchmal auch Stromquelle spielen können, darum sind sie da.

Schau Dir mal die Simulation einer Patchantenne an, dann siehst Du, was ich meine.

Der Einwand mit der Schlitzantenne kann korrekt sein, gilt aber primär für das, was man eh' nicht machen soll, nämlich an mehr als einer Stelle koppeln. Ansonsten müßte entweder auch der Analogteil ordentliche Schaltflanken produzieren oder es irgendwo zusätzlich kapazitiv überkoppeln.

Gruß Oliver

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Oliver Bartels

Hallo Oliver,

Viel schlimmer sind die sich ergebenen Loop Antennen. Mehrere Einkopplungsstellen sind in der Praxis kaum vermeidbar, denn man will ja was am System anschliessen koennen.

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Gruesse, Joerg

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Joerg

Sven Schulz schrieb:

Natürlich zwischen den Massen! ;-)

Markus

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Markus Schaub

Hallo Sven,

Erstaunlich, dass alles so glimpflich abging. Normalerweise ist das Anschneiden des Themas "Getrennte Masse" so aehnlich, als ob man mit einem Borussia Dortmund Schal in eine Koelner Kneipe geht.

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Gruesse, Joerg

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Joerg

"Joerg" schrieb im Newsbeitrag news:wA3ti.1355$ snipped-for-privacy@nlpi069.nbdc.sbc.com...

Weil da wohl schon jeder mal üble Erfahrungen gemacht hat...

So ein Schlagwort wie 'getrennte Massen' alleine ist auch weniger als nützlich; es geht um ein ganzes Bündel von Erfahrungswissen dass ein Layouter einfach mitbringt wenn er so vor sich hinwerkelt.

Im Grunde geht es um zwei Themenkomplexe:

Einmal, Verkopplungen zu vermeiden, galvanisch (über gemeinsamen GND dann z.B.) oder auch kapazitiv und induktiv bei benachbarten Leitungen oder über Abstrahlung (Schleifen).

Dann zum Anderen, Signalintegrität. Störungen auf layouteten Leitungen abzuschätzen z.B.: "Liege ich mit dieser Leitung noch deutlich unter sagenwirmal 1/20tel der Wellenlänge?". "Wie ist die Leitung abgeschlossen, Treiber niedrige und halbwegs passende Impedanz und Eingänge hohe Impedanz, wo habe ich also an meinen Bausteinen reflektierende und wo absorbierende ports und wie verlege ich die Verbindungsleitungen zwischen den Bausteinen nun?

Solche Dinge und mehr...

Mit Schlagworten wie 'getrennte Masse', 'nur einen Sternpunkt machen', 'keine Schleifen layouten a la Rahmenantenne' u.s.w. alleine isses nicht getan.

Der erfahrene Layouter hat einfach beim layouten ein Bündel Hintergrund- wissen parat und überlegt sich bei jeder Leitung schon automatisch, ob und wie sie koppeln könnte... zu dünn, zu hohe Induktivität, auch zu nahe dran, koppelt kapazitiv ... bringe ich jetzt zusätzlich eine Massefläche auf der Unterseite an um das Feld 'enger' ins Trägermaterial zu bringen, dann kann ich hier die Busleitungen enger machen ... solche Sachen halt.

Vieles läuft da auch unbewusst ab bei vorhandenem Erfahrungswissen. Der erfahrene (und inzwischen wegrationalisierte) Layouter hat das sozusagen im Blick: manchmal vielleicht erst nur das Gefühl: "hier sieht was unschön aus, irgendwas gefällt mir nicht, passt nicht..." und dann erst nach einer geraumen Weile vielleicht die Erkenntnis: "Upps, ich hab diese kritische Taktleitung ja als Baum ausgeführt, daisy chain wär aber viel besser und kürzer..."

Das Erfahrungswissen im Hinterkopf werkelt dann einfach im Hintergrund ständig mit, sozusagen. Layouten ist also auch ein sehr kreativer Job :) Mit ein paar Schlagworten wohl so nicht vermittelbar!

Es gibt sozusagen auch zuviele Dinge, die man beim layouten 'falsch' machen kann, vieles nicht so offensichtlich. Der erfahrene Layouter ist dann halt der, der schon die meisten Fehler gemacht hat :)

Gibt natürlich Lehrbücher zum Thema, die zum Einstieg auch sicher begrenzt nützlich sein können. "EMV-Design Richtlinien" und ähnliche Titel, da kann man ja zum Einstieg mal schmökern. Vieles (von dem, was man falsch machen kann) steht aber einfach nicht drin!

P.S.: Heute machen das natürlich Autorouter, und die Ergebnisse sind immer schrecklich, manchmal sogar schrecklichst! (Vermutlich, weil das eben doch nicht einfach nur aufzählbares regelbasiertes Wissen ist dass man einfach einprogrammieren könnte. Soviele Restriktionen kann man gar nicht formulieren wie man bräuchte *g* )

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Ruediger Klenner

Hallo Ruediger,

Deshalb benutze ich auch einen Layouter, der schon stramm auf die 60 zugeht. Ich hoffe nur, dass er (und mein Zahnarzt) nicht so bald in Rente gehen. Zum Glueck sind es beides Freiberufler und sie sind daher flexibler.

Autorouter kann man in meinem Fachbereich so gut wie nie benutzen.

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Gruesse, Joerg

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Joerg

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