Schaltungstechnik · Schaltungstechnik Mario Blunk Blunk electronic / Inh. Dipl. Ing. Mario Blunk /...

Schaltungstechnik

Mario Blunk

Blunk electronic / Inh. Dipl. Ing. Mario Blunk / Buchfinkenweg 3 / 99097Erfurt / Germany

2020-01-22

Abstract

Die Elektronik ist ein Fachgebiet der Elektrotechnik mit einem sich stetigerweiternden Spektrum. Der Facharbeiter, Techniker oder Ingenieur mußin der Lage sein, dieses weite Feld zu uberblicken und sich bei Bedarf in

ein spezielles Thema einzuarbeiten. Ziel des Seminars ist, einen Uberblickder Elektronik – vom einzelnen Bauteil bis zur Fertigung von Baugruppen

– zu vermitteln. Durch Verweise auf zahlreiche Literaturquellen ist derTeilnehmer abschließend in der Lage, sich vertiefendes Fachwissenanzueignen. Das Seminar wird durch viele Beispiele aus der realen

Berufspraxis anschaulich und verstandlich gehalten.

Das Ziel

Entwicklung und Fertigung von Elektronik

In diesem Seminar sprechen wir uber Schaltplane.

Figure 1: Entwicklung und Fertigung Ablauf

Uberblick

1. Grundlagen der Elektrotechnik/Elektronik

2. Dioden und Transistoren

3. digitale Schaltungen (diskrete und programmierbare Logik)

4. analoge Schaltungen (Verstarker, Oszillatoren, Modulatoren)

5. gemischte Schaltungen (ADC, DAC, DDS)

6. Stromversorgung (Spannungs- und Stromquellen)

7. Schutzschaltungen

8. Pruf- und Testverfahren, EMV, SI

Grundlagen

1. passive Bauelemente (R,C,L, ...)

2. aktive Bauelemente (D,T, ...)

3. bipolarer Transistoren (NPN,PNP)

4. unipolare Transistoren (SFET, MOSFET)

5. Optoelektronik

6. Belastbarkeit

GrundlagenSpannung, Strom und ohmscher Widerstand

1. Die Ursache fur einen Stromfluß ist immer eine Spannung U.

2. Spannung besteht zwischen Objekten verschiedenenPotentials.

3. Der Strom I fließt vom hoheren zum niedrigeren Potential(techn. Stromrichtung).

4. Strom ist die gerichtete Bewegung von Ladungstragern(Elektronen, Ionen. ...).

5. Der Stromfluß hat einen Ladungsausgleich als Ziel.

6. Der Stromfluß wird durch den elektrischen ohmschenWiderstand R behindert.

7. Das Ohmsche Gesetz bringt U, I und R mathematisch inVerbindung.

I =U

Roder R =

U

I(1)

GrundlagenIrrtumer

Figure 2: https://www.gemeinde-hohenwarte.de/bilder/rohrbahnbau.jpg

1. Es gibt keine ”Stromspannung” !

2. Spannung fließt nicht !

Grundlagenohmscher Widerstand und Impedanz

1. Im ohmschen Widerstand R ist der Stromfluß I synchron zuranliegenden Spannung U.

2. Impedanz Z bedeutet: Spannung und Strom sind nichtsynchron.

3. Vergleich mit Mechanik: Mit Kraft F wird ein Autoangeschoben, die Geschwindigkeit steigt mit der Zeit.

4. Vergleich mit Warmefluß: Heizung eingeschaltet, Temperaturim Raum steigt mit der Zeit.

5. elektrische Bauteile mit Impedanz: Kondensatoren und Spulen

i =u

Zoder Z =

u

i(2)

Grundlagen: passive BauelementeWiderstande: Symbol und Bauformen

Figure 3: Symbol im Schaltplan

Figure 4: THT-Widerstande aufPCB

Figure 5: SMD-Widerstand aufPCB

Grundlagen: passive BauelementeWiderstande: Belastbarkeit

1. maximale Verlustleistung Pv

Pv = U · I (3)

2. maximale Betriebsspannung U

3. Alterung steigt mit Verlustleistung und Betriebsspannung

4. Ausfallrate[38]

Grundlagen: passive BauelementeKondensatoren: Kapaziat C

1. Ein Kondensator speichert elektrische Energie in einemelektrischen Feld.

2. Der Strom durch den Kondensator ist nicht synchron zuranliegenden Spannung → Impedanz.

3. Vergleich mit Mechanik: Ein Ballon, der mit Druckluftaufgepumpt wird.

I =C · Ut

(4)

Zum Zeitpunkt 0 ist I unendlich groß. Nach unendlich langer Zeitist I Null.

Grundlagen: passive BauelementeKondensator: Symbol und Bauformen


Figure 7: KondensatorenTHT/SMD auf PCB

Figure 8: SMD-Kondensatorenauf PCB

Grundlagen: passive BauelementeKondensator: Belastbarkeit

1. maximale Betriebsspannung U

2. maximaler Betriebssstrom I

3. maximaler Betriebtemperatur

4. Alterung steigt mit Betriebsspannung und Betriebtemperatur

5. Ausfallrate[38]

Grundlagen: passive BauelementeSpulen/Induktiviaten: Induktiviat L

1. Eine Induktiviat speichert elektrische Energie in einemmagnetischen Feld.

2. Der Strom durch den Kondensator ist nicht synchron zuranliegenden Spannung → Impedanz.

3. Vergleich mit Mechanik: Ein Auto, das angeschoben wird.

I =U · tL

(5)

Zum Zeitpunkt 0 ist I Null. Nach unendlich langer Zeit ist Iunendlich groß.

Grundlagen: passive BauelementeSpule/Induktiviat: Symbol und Bauformen

Figure 9: Symbol im SchaltplanFigure 10: Spule in THT aufPCB (schwarzer Block)

Grundlagen: passive BauelementeSpulen/Induktiviaten: Belastbarkeit

1. maximale Betriebsspannung

2. maximaler Betriebssstrom I → Temperatur steigt

3. Alterung steigt mit Betriebtemperatur

4. Ausfallrate[38]

Grundlagen: passive BauelementeEin- und Ausschaltvorgange

Figure 11: Spannungen und Strome zum Zeitpunkt 0 und nach unendlichlanger Zeit ?

Grundlagen: aktive BauelementeDioden


1. Eine Diode erlaubt Stromfluß in nur einer Richtung.

2. Mindestspannung notig

3. Kennlinie U vs I nicht linear

Grundlagen: aktive BauelementeDiode: Symbol und Bauformen


Figure 14: Kennlinie einerDiode[23] Figure 15: SMD-Diode auf PCB

Grundlagen: aktive BauelementeDiode: Belastbarkeit

1. maximale Sperrspannung Ur

2. maximaler Betriebssstrom If → Temperatur steigt

3. Alterung steigt mit Ur und If

4. Ausfallrate[38]

Grundlagen: aktive BauelementeTransistor

1. Ein Transistor ist ein Verstarker.

2. Verwendung als Schalter (Digitaltechnik)

3. Verwendung als Signalverstarker (Analogtechnik)

Figure 16: bipolar npn Figure 17: SFET Figure 18: MOSFET

Grundlagen: aktive BauelementeTransistoren Ubersicht

Figure 19: Transistoren[16]

Grundlagen: aktive BauelementeTransistoren: bipolar vs. unipolar

1. Handhabung Bipolar-Transistor einfach

2. Handhabung SFET/MOSFET aufwendig wg. ESD

3. Ansteuerung SFET/MOSFET fast leistungslos(Eingangskapazitat beachten)

Grundlagen: aktive BauelementeTransistor: bipolar

Figure 20:Emitterschaltung

Figure 21:Kollektorschaltung

Figure 22:Basisschaltung


Figure 23: Grundschaltungen bipolarer Transistoren[1]


Figure 24: Grundschaltungen bipolarer Transistoren[1]

Grundlagen: aktive BauelementeTransistor: unipolar SFET/MOSFET

Figure 25: Grundschaltungen unipolarer Transistoren[1]

Grundlagen: aktive BauelementeTransistor: unipolar

Figure 26: Arbeitspunkt unipolarer Transistoren[1]

Grundlagen: aktive BauelementeTransistor: Testschaltung

Quelle [9]

Achtung !

Versuch beginnen mit Potentiometer am unteren Anschlag ! UBE

max. 0,8V ! Basistrom uberwachen !

Grundlagen: aktive BauelementeTransistor: Belastbarkeit

1. maximale Sperrspannung Uce (bipolare T.)

2. maximale Sperrspannung Uds (unipolare T.)

3. maximale Spannung Ugs (unipolare T.) (ESD !)

4. maximale Verlustleistung Pv

5. Alterung steigt mit Ur und If

6. Ausfallrate[38]

Optoelektronische BauteileFotodiode

Figure 27: Symbol

1. lichtempfindliche Diode

2. fur bestimmten Bereich der Wellenlange ausgelegt

3. Belastbarkeit siehe Seite 20

Optoelektronische BauteileFotodiode

Figure 28: mit Transistor als Verstarker[22]

Optoelektronische BauteileLeuchtdioden - LED


Figure 30: THT-LEDs auf PCB Figure 31: SMD-LEDs auf PCB

1. Licht-emmitierende Diode

2. Wellenlange von Ultraviolet bis Infrarot (300nm .. 2000nm)

3. Belastbarkeit siehe Seite 20

4. Berechnung Vorwiderstand nach Helligkeit siehe [43]

Optoelektronische BauteileDisplays

Figure 32: SymbolFigure 33: 7-Segment Anzeigein THT

Technologie:

1. LED

2. Liqud Crystal - LCD

3. Vakuum-Fluoreszenz - VFD

Optoelektronische BauteileOptokoppler

Figure 34: Symbol

1. Ein O. erlaubt das Ubertragen eines Signales ohne galvanischeKopplung.

2. Besteht meißt aus IR-Diode als Sender und

3. Fotodiode als Empfanger.

Optoelektronische BauteileOptokoppler

Figure 35: Innenleben[22] Figure 36: Eigenbau[22]

Grenzwerte:

1. maximale Sperrspannung Ur (Sender und Empfanger)

2. maximale Strom If (Sender und Empfanger)

3. maximaler Spannung zwischen Sender und Empfanger(Kilovolt)

Optoelektronische BauteileOptokoppler: Belastbarkeit

1. maximale Sperrspannung Ur (Sender und Empfanger)

2. maximale Strom If (Sender und Empfanger)

3. maximaler Spannung zwischen Sender und Empfanger(Kilovolt)

Optoelektronische BauteileOptokoppler: Applikation Beispiel

Figure 37: Applikation mit LED-Treiber und Komparator[22]

1. Galvanische Trennung

2. Potentialtrennung

Digitale Schaltungen

1. Diskrete Logik (Gatter, Zahler, Multiplexer)

2. Schaltkreisfamilen (TTL, LVTTL, CMOS, ECL, ...)

3. Programmierbare Logik (CPLD, FPGA)

4. Speicher

5. Mikrocontroller (MCU), CPU, DSP

6. Anzeigeelemente (LED, Displays)

7. Datenubertragung (Signalintegritat, EMV)

Digitale Schaltungendiskret mit Transistor, Diode und Widerstand

Figure 38: Negation Figure 39: UND Figure 40: ODER

Digitale SchaltungenDiskrete Logik: Gatter

Figure 41: Negation Figure 42: UND Figure 43: ODER

Digitale SchaltungenDiskrete Logik: Multiplexer

Figure 44: Multiplexer

Digitale SchaltungenDiskrete Logik: Demultiplexer

Figure 45: Demultiplexer

Digitale SchaltungenDiskrete Logik: Demultiplexer

Figure 46: Beispiel

Digitale SchaltungenDiskrete Logik: Register parallel

Figure 47: paralleles Register

Digitale SchaltungenDiskrete Logik: Schieberegister (seriell)

Figure 48: Schieberegister

Digitale SchaltungenDiskrete Logik: Zahler

Figure 49: Zahler

Digitale SchaltungenDiskrete Logik: Zahler

Figure 50: Beispiel

Digitale SchaltungenSchaltkreisfamilen: TTL, LVTTL, CMOS, ECL, ...

1. Betriebsspannung

2. Stromaufnahme / Leistungsaufnahme

3. Spannungen fur H/L Pegel

4. Schaltgeschwindigkeit

SchaltkreisfamilenSchaltkreisfamilen: H/L-Pegel

Figure 51: Pegel TTL [3]

Figure 52: Leistungsaufnahme, Schaltzeiten, Ausgangsstrom [3]

Programmierbare LogikLogiksynthese: Konzept

1. Problem 1 der diskreten Logik: Anderungen kaum/nichtmoglich !

2. Problem 2 der diskreten Logik: Simulation aufwandig !

3. Losung: programmierbare Universal-ICs !!

4. HW wird am Rechner mittels ”Programmiersprache” (HDL)modelliert

5. Nachteil 1: SW und Programmier-Equipment notig

6. Nachteil 2: Einarbeitung, Schulung notig

7. Nachteil 3: Bindung an Hersteller

Programmierbare LogikLogiksynthese: System

Figure 53: System

Programmierbare LogikSprachen: VHDL, Verilog, ...

Figure 54: VHDL Beispiel [13]

Figure 55: Verilog Beispiel [14]

Programmierbare LogikCPLD, FPGA, ...

1. Der zu programierende IC wird als Target (Ziel) bezeichnet.

2. CPLD: Complex Programmable Logic Device

3. FPGA: Field Programmable Grid Array

SpeicherOrganisation

Figure 56: Beispiel

1. Programmcode, Prozessdaten, Anwenderdaten

2. 1024 x 1 Bit, 512k x 16 Bit, ...

3. Adresse A[15:0], Daten D[7:0] → 64k x 8 Bit

4. Speicherbanke werden via MMU (Memory Managment Unit)adressiert.

SpeicherOrganisation Speicheradressen

Figure 57: Beispiel [18]

SpeicherOrganisation Speicherbank

Figure 58: Beispiel [18]

SpeicherFluchtige: RAM, SRAM, SDRAM, DDRRAM, ...

1. Technologie statisch: Information wird per Flip-Flop gehalten

2. Technologie dynamisch: Information wird in Kondensatorengehalten

3. SDRAM, DDRRAM: Datentransfer synchron zu Taktsignal(CLK)

4. evtl. anspruchsvolles PCB-Layout (SI, Laufzeiten,Leitungslangen, ...)

5. asyncron: via Ports WE und OE

6. synchron: zu CLOCK Signal (positive, negative oder beideFlanken)

7. ggf. aufwandiger Controller notig

SpeicherBeispiel SDRAM

Figure 59: Beispiel Ansteuerung SDRAM

SpeicherNicht-fluchtige: ROM, OTP, EPROM, FLASH, ...

1. Technologieen: Fuse, Antifuse, ...

2. ggf. Programmier-Equipment notig

3. Daten uber Jahrzehnte stabil

ProzessorenDas Konzept

1. Problem der diskreten Logik: Anderungen kaum/nichtmoglich !

2. Losung: CPU (Central Proessing Unit) !!

3. Programmablauf wird per Programmiersprache festgelegt

4. Compiler/Assembler ubersetzt in Maschinencode

5. Maschinencode wird in Speicher geladen und vom Prozessorausgefuhrt

6. Adaption an verschiedenste Aufgaben moglich

7. Nachteil 1: Einarbeitung, Schulung notig

8. Nachteil 2: Bindung an Hersteller

9. Nachteil 3: Programmier-Equipment notig

10. Nachteil 4: Aufwand fur Dokumentation

ProzessorenDas System: CPU, ROM, RAM, ...

Figure 60: System

ProzessorenCPU intern

Figure 61: CPU intern [3]

ProzessorenBeispiele

1. Z80, I486, Intel i9-7980XE, ...

2. Motorola 68000, PowerPC G4 CPU, ...

3. synthetisiert in VHDL: SPARC-V8 LEON, ...

4. IP-Cores

ProzessorenSprachen: Maschinencode, Assembler, C, Ada, ...

Figure 62: System-Level

MikrocontrollerDas Konzept

1. Komponenten des gesamten Prozessor-Systems auf einemChip

2. CPU, RAM, FLASH-ROM

3. Schnittstellen: USB, UART, ...

4. Programmier-Equipment notig ...

5. Beispiele 8051, 80C166, STM32F407, ...

MikrocontrollerBeschaltung

Figure 63: Beschaltung

Digitale Signalprozessoren - DSPDas Konzept

1. Trennung von Programmcode und Prozessdaten(Havard-Architektur)

2. schnelle Multiplikation, Shift, ...

3. Verarbeitung von Audio, HF, ...

4. Mustererkennung, Kompression, Filter, Echo, Klang, ...

5. Programmier-Equipment notig ...

6. Beispiele: Texas Instruments TMS320xx, Analog DevicesADSP-21xx, ..

Digitale Signalprozessoren - DSPBeschaltung

Figure 64: Beschaltung

Analoge Schaltungen

1. Verstarker

2. Leistungsstufen / Endstufen

3. Filter

4. Rechen- und Regelschaltungen

5. Schalter / Multiplexer

6. Signalgeneratoren / Oszillatoren

7. Modulatoren

Analoge Schaltungen: VerstarkerEmitterschaltung

Figure 65: Emitterschaltung [9]

Analoge Schaltungen: VerstarkerKollektorschaltung

Figure 66: Kollektorschaltung [9]

Analoge Schaltungen: VerstarkerNF-Verstarker

Figure 67: NF-Verstarker mit Bipolartransistor[1]

Analoge Schaltungen: VerstarkerNF-Verstarker

Figure 68: Ein- und Ausgangswiderstand[1]

Analoge Schaltungen: VerstarkerLeistungsstufen

Figure 69: Gegentaktschaltung vereinfacht [9]

Analoge Schaltungen: VerstarkerLeistungsstufen

Figure 70: Gegentaktschaltung [9]

Analoge Schaltungen: Verstarkerintegriert

Figure 71: integrierter Verstarker [5]

Analoge Schaltungen: Operationsverstarker (OPV)in diskreter Bauweise

Figure 72: diskret aufgebaut (+ und - Eingang tauschen)

Analoge Schaltungen: Operationsverstarker (OPV)Spannungsversorgung vereinfacht

Figure 73: Spannungsversorgung

Analoge Schaltungen: Operationsverstarker (OPV)Integriert UA741

Figure 74: OPV integriert [4]

Analoge Schaltungen: Operationsverstarker (OPV)Integriert CA3130

Figure 75: OPV integriert [4]

Analoge Schaltungen: Operationsverstarker (OPV)Grundschaltungen: Komparator

Figure 76: Komparator

Analoge Schaltungen: Operationsverstarker (OPV)Grundschaltungen: Schmitt-Trigger

Figure 77: Schmitt-Triggernicht invertierend

Figure 78: Schmitt-Triggerinvertierend

Figure 79:Hysteresekurve

Analoge Schaltungen: Operationsverstarker (OPV)Grundschaltungen: invertierend / nicht-invertierend

Figure 80: invertierender OPV

Figure 81: nicht-invertierender OPV

Analoge Schaltungen: RechnenAddition und Subtraktion

Figure 82: Addierer

Figure 83: Subtrahierer

Analoge Schaltungen: Rechnenweitere Operationen

1. Multiplikation

2. Division

3. Logarithmieren

4. Potenzieren

5. Siehe [21]

Analoge Schaltungen: RechnenIntegration und Differentiation

Figure 84: Integrator

Figure 85: Differenzierer

Analoge Schaltungen: RechnenIntegration und Differentiation

Figure 86: Integrator[1] Figure 87: Integrator[1]

Analoge Schaltungen: Filterpassiv: Tiefpaß und Hochpaß

Figure 88: Tiefpaß 1.Ordnung

Figure 89: Hochpaß 1.OrdnungFigure 90: Frequenzgang undPhase[9]

Analoge Schaltungen: Filteraktiv: Tiefpaß und Hochpaß

Figure 91: Tiefpaß 2.Ordnung

Figure 92: Hochpaß 2.Ordnung

Analoge SchaltungenSchalter und Multiplexer

Figure 93: Schalter schematisch

Analoge SchaltungenSchalter und Multiplexer

Figure 94: Texas Instruments CD74HC4051 [6]

Analoge Schaltungen: Signalgeneratoren und OszillatorenRechteckgenerator: diskret

Figure 95: diskret

Analoge Schaltungen: Signalgeneratoren und OszillatorenRechteckgenerator mit OPV

Figure 96: mit OPV

Analoge Schaltungen: Signalgeneratoren und OszillatorenRechteckgenerator mit NAND-Schmitt-Trigger

Figure 97: mit Schmitt-Trigger

Analoge Schaltungen: Signalgeneratoren und OszillatorenDreieckgenerator

Figure 98: mit OPV

Analoge Schaltungen: Signalgeneratoren und OszillatorenSinusgenerator: mit Phasenschiebe-Netzwerk

Figure 99: Blockschaltung [4]

Analoge Schaltungen: Signalgeneratoren und OszillatorenSinusgenerator: mit Wienbruecke

Figure 100: Wienbruecke mit OPV [4]

Analoge Schaltungen: Signalgeneratoren und OszillatorenSinusgenerator: mit Diodennetzwerk

Figure 101: Diodennetzwerk [4]

Analoge Schaltungen: Signalgeneratoren und OszillatorenSinusgenerator: Dreipunktschaltung

Figure 102: Oszillatoren [4]

Analoge SchaltungenModulatoren (AM/FM)

Figure 103: Prinzip [11]

Analoge SchaltungenModulatoren (AM/FM)

Figure 104: Seitenbander [11]

Gemischte Schaltungen / mixed Signal

1. Analog-Digital-Wandler (ADC)

2. Digital-Analog-Wandler (DAC)

3. Signalsynthese (Direkt Digital Synthesis)

Gemischte Schaltungen / mixed SignalKriterien ADC und DAC

1. Geschwindigkeit (Umsetzzeit)

2. Bereich fur Eingangs/Ausgangsspannung/Strom

3. Auflosung (Zahl der Bits)

4. Lineariat

5. Abhangigkeit von Temperatur

6. Leistungsaufnahme, Betriebsspannung

7. Schnittstellen (I2C, SPI, parallel, ...)

8. Kosten

Gemischte Schaltungen: Analog-Digital-Wandler (ADC)Blockschaltung

Figure 105: Prinzip

Gemischte Schaltungen: Analog-Digital-Wandler (ADC)Verfahren der Umsetzung

1. Parallelumsetzer

2. Wageverfahren (sukzessive Approximation)

3. Zahlverfahren (serielle Wandler)

siehe [4]

Gemischte Schaltungen: Analog-Digital-Wandler (ADC)im Mikrocontroller

Figure 106: Timer im MCU[5]

Gemischte Schaltungen: Analog-Digital-Wandler (ADC)Beispiel

Figure 107: Quelle Datenblatt MAXIM MAX1169

AGND und DGND treffen sich an der Spannungsversorgung !

Gemischte Schaltungen: Analog-Digital-Wandler (ADC)Analog GND und digital GND

Figure 108: AGND und DGND treffen sich in Spannungsversorgung !

Gemischte Schaltungen: Analog-Digital-Wandler (ADC)Analog Masse vs. digital Masse

Figure 109: nur AGND verwendet

siehe [27]

Gemischte Schaltungen: Analog-Digital-Wandler (ADC)Analog GND und digital GND

Figure 110: AGND und DGND im Layout

Gemischte Schaltungen: Digital-Analog-Wandler (DAC)Blockschaltung

Figure 111: Prinzip

Gemischte Schaltungen: Digital-Analog-Wandler (DAC)Verfahren der Umsetzung

1. Parallelumsetzer

2. Puls-Weite-Modulation (PWM)

siehe [4]

Gemischte Schaltungen: Digital-Analog-Wandler (DAC)Gewichtete Widerstande

Figure 112: 4 BitDAC[1] Figure 113: 4 Bit DAC[1]

Gemischte Schaltungen: Digital-Analog-Wandler (DAC)Gewichtete Widerstande zur Steuerung eines Spannungsreglers

Figure 114: MOSFETs Figure 115: Spannungsregler

Zustand der Steuerleitungen im Reset, Ein-und Ausschaltenbeachten ! Pull-Widerstande vorsehen.

Gemischte Schaltungen: Digital-Analog-Wandler (DAC)Beispiel

Figure 116: Quelle Datenblatt MAXIM MAX5823

Gemischte Schaltungen: Digital-Analog-Wandler (DAC)Beispiel eines 8-fach DAC

Figure 117: MAX5825

Gemischte Schaltungen: Digital-Analog-Wandler (DAC)via Puls-Weite-Modulation (PWM)

Figure 118: Glattung des PWM-Signals

τRC > 10 · TTIM (6)

Gemischte Schaltungen: Digital-Analog-Wandler (DAC)PWM

Figure 119: Timer im MCU[5]

Gemischte Schaltungen: Digital-Analog-Wandler (DAC)PWM

Figure 120: 12 Bit DAC mit diskreter Logik[9]

Gemischte Schaltungen: SignalsyntheseDirekte Signalsynthese (DSS)

Figure 121: Prinzip eines ROM-basierten Funktionsgenerators[20]

1. beliebige Signalform bis in GHz-Bereich erzeugbar

2. Ausgangsfrequenz sehr stabil und fein abstimmbar

3. Ausgangsfrequenz per MCU oder CPU steuerbar

Gemischte Schaltungen: SignalsyntheseSignalsynthese (DSS)

Figure 122: Blockschaltung

1. beliebige Signalform bis in GHz-Bereich erzeugbar

2. Ausgangsfrequenz sehr stabil und fein abstimmbar

3. Ausgangsfrequenz per MCU oder CPU steuerbar


Figure 123: Blockschaltung

M bestimmt die Sprungweite innerhalb der LUT und somit dieAusgangsfrequenz

fo =M · fclk

2N(7)


Figure 124: IC AD9833 [29]


Figure 125: IC AD9854 [28]

Energieversorgung

1. Spannungsquellen

2. Stromquellen

3. Gleichrichtung

4. Lineare Regler

5. Schaltregler

6. Abblockung / Layout

EnergieversorgungEin - und Ausgangsgroßen

Figure 126: Ein-und Ausgangsgroßen nach [4]

EnergieversorgungSpannungsquellen im System

Figure 127: System der Spannungsversorgung nach [4]

EnergieversorgungLineares geregeltes Netzeil: Blockschaltung


EnergieversorgungGeregeltes Schalt-Netzeil: Blockschaltung


Energieversorgung: Gleichrichtung 1Einweg

Figure 130: Transformator und Diode [4]

Figure 131: mit Kondensator [4]

Zur Dimensionierung siehe [16].

Energieversorgung: Gleichrichtung 2Zweiweg

Figure 132: Brucke [4]

Figure 133: symmetrisch [4]


Energieversorgung: Gleichrichtung 3Vervielfacher

Figure 134: Vervielfacher [4]


Energieversorgung: Spannungsquellensehr einfach und diskret

Figure 135: Z-Diode [4]

Energieversorgung: SpannungsquellenLineare Regler: Blockschaltung


Energieversorgung: SpannungsquellenLineare Regler: diskreter Aufbau

Figure 137: diskret [10]

Energieversorgung: SpannungsquellenLineare Regler: als IC

Figure 138: integiert [7]

EnergieversorgungSchaltregler: Prinzip

Figure 139: mit Drossel [10]

Figure 140: mit Transformator/Ubertrager [10]

EnergieversorgungSchaltregler: integiert

Figure 141: Schaltregler [8]

EnergieversorgungSchaltregler: integriert

Figure 142: integrierte DCDC-Wandler

EnergieversorgungSchaltregler: Regelkreis

Figure 143: Regelkreis [10]

EnergieversorgungLineare vs. Schaltregler

Linear-Regler Schaltregler

HF-freie Ausgangsspannung(keine Filter notig)

wenig Verlustleistung, hoherWirkungsgrad

Aufwand an Schaltungstechnikminimal

Aufwand fur Kuhlung minimal

schnelle Reaktion aufLastschwankungen

Platzbedarf minimal

EnergieversorgungNegative Hilfsspannungen

Figure 144: ICL7660[30]

Energieversorgung: Stromquellensehr einfach, diskret und robust

Figure 145: Z-Diode und Transistor [4]

Energieversorgung: Stromquellenmit OPV

Figure 146: OPV und Transistor [4]

EnergieversorgungAbblockung

Figure 147: Abblockung nahe am IC

siehe[33]


Figure 150: MCU auf Unterseite


Figure 151: Abblockung auf Oberseite

DatenubertragungDas Modell der Leitung

1. Jedes Stuck Draht/Leiterbahn hat eine Induktiviat.

2. Zwischen Drahten/Leiterbahnen besteht eine Kapaziat.

3. Immer: Laufzeit zwischen Anfang und Ende der Leitung.

4. elektrisch kurze Leitung: unkritisch

5. elektrisch lange Leitung: Welle, Impedanz, Reflexion

Figure 152: Modell [3]

siehe [35]

DatenubertragungDas Modell der Leitung

Figure 153: Modell vereinfacht

1. Widerstand R fehlt: UA staut sich auf - positive Welleschwappt nach E zuruck und wieder nach A

2. Widerstand R zu klein: UA zu niedrig - negative Welleschwappt nach E zuruck und wieder nach A

3. Optimum: R = Impedanz Z der Leitung

DatenubertragungSignalintegritat (SI)

1. Ziel: unveranderte Signalform am Ausgang der Leitung

2. vermeidet Fehlfunktionen des Empfangers (meißt digitaleLogik)

3. haufige Probleme: Reflexionen, Clock-Echos, zu langsamePegelwechsel

4. ”Schwarze Magie der Elektronik”

siehe [3] [33] [35]

Elektromagnetische Vertraglichkeit (EMV/EMC)

1. Ziel 1: minimale EM-Strahlung nach außen

2. Ziel 2: minimale Empfindlichkeit gegenuber EM-Strahlung vonaußen

3. haufige Probleme: strahlende Leiterbahnen, Drahte, Kabel,Spulen, ...

4. Flux-Kompensation

5. Normungen, Standards, ...

siehe [33] [32]

Entwurf zuverlassiger Schaltungen

1. Schutzmaßnahmen gegen Uberspannung / Uberstrom / ESD[33]

2. Kuhlung von Bauteilen (Warmewiderstand, Kuhlkorper)

3. Ein- und Ausschaltverhalten [40]

4. Reset, Not-Aus, Redundanz

5. Ausfallraten / MTBF / Zuverlassigkeit [38]

Entwurf zuverlassiger SchaltungenSchutzmaßnahmen gegen Uberstrom

1. Schmelzsicherung

2. Diode zum Schutz gegen Verpolung → verhindert Uberstromin negativer Richtung

Figure 154: Verpolungsschutz

Achtung !

Schutzmaßnahmen moglichst einfach entwerfen !

Entwurf zuverlassiger SchaltungenSchutzmaßnahmen gegen Uberspannung

Figure 155: gegennegative Uberspannung

Figure 156: mitZ-Diode oderSupressor-Diode

Figure 157: mit VaristorFigure 158: mitThyristor

Entwurf zuverlassiger SchaltungenKuhlung von Bauteilen 1

Figure 159: Analogie ohmscher Widerstand zuthermischer Widerstand

Figure 160: Beispiel Transistor [19]

siehe [19] [4]


Figure 161: Analogie ohmscherWiderstand zu thermischer Widerstand

Figure 162: Kette derWarmewiderstande

siehe [19] [4]


Figure 163: Kuhlkorper[1] Figure 164: Warmewiderstande[1]


Figure 165: Rechenbeispiel[1]

Entwicklung und Fertigung von ElektronikAblauf

Figure 166: Entwicklung und Fertigung Ablauf

Entwicklung und Fertigung von ElektronikSonstiges

1. Modelle der Entwicklung: Wasserfall, agile Entwicklung [44]

2. Dokumentation wird oft vernachlassigt

3. Entwicklung von Firmware (Logiksynthese, ...)

4. Materialwirtschaft

5. Design for Manufacturing/Test (DFM/DFT) [40]

6. Testverfahren (MVI, AOI, AXI, ICT, FPT, BST, BIST, FT)[39]

7. Boundary Scan (IEEE1149.x) [41] [42]

8. Zuverlassigkeit[38]

Das Ziel

Literaturquellen I

[1] Elektrotechnik Fachbildung Elektrotechnik Fachbildung. Verlag EUROPA-Lehrmittel

[2] Grafe Grundlagen der Elektrotechnik Band 2. Verlag Technik Berlin, 1974

[3] Seifart/Beikirch Digitale Schaltungen. Verlag Technik Berlin, 1998

[4] Seifart Analoge Schaltungen. Verlag Technik Berlin, 1996

[5] STMicroelectronics Datenblatt TDA2030. Datenblatt Leistungs-OPV TDA2030

[6] Texas Instruments Datenblatt CD74HC4051. Datenblatt Analogmultiplexer CD74HC4051

[7] Texas Instruments Datenblatt LM1117x. Datenblatt Spannungsregler LM1117x

[8] Analog / Linear Technology Datenblatt LT1072. Datenblatt Spannungsregler LT1072

[9] Lothar Konig Rundfunktechnik selbst erlebt. Urania Verlag, 1988

[10] Gunter Kurz Electronica 201: Grundlagen und Schaltungsbeispiele der Stromversorgung. Militarverlag derDDR, 1982

[11] Leue/Starke/Weber Lexikon der Unterhaltungselektronik. Verlag Technik Berlin, 1987

[12] Ashok K. Sharma Programmable Logic Handbook. McGraw-Hill, 1998

[13] Startling Electronics VHDL-CPLD coursehttps://startingelectronics.org/software/VHDL-CPLD-course/tut2-AND-and-OR-gates

[14] Electrosofts Verilog course http://electrosofts.com/verilog/introduction.html

[15] National Semiconductor Op Amp Circuit Collection. Application Note 31, February 1978

[16] Hans Joachim Fischer / Wolfgang E. Schlegel Transistor- und Schaltkreistechnik. Militarverlag der DDR, 1988

[17] H.J. Kowalski Electronica 193: Aktive RC-Filter. Militarverlag der DDR, 1981

https://startingelectronics.org/software/VHDL-CPLD-course/tut2-AND-and-OR-gates

http://electrosofts.com/verilog/introduction.html

Literaturquellen II

[18] Gerd Thiele Electronica 229: Digitale Halbleiterspeicher. Militarverlag der DDR, 1986

[19] Helmut Hantzsch Electronica 161: Warmeableitung bei Halbleitern. Militarverlag der DDR, 1978

[20] Claus Kuhnel Electronica 232: AD- und DA-Umsetzer fur den Amateur. Militarverlag der DDR, 1986

[21] Claus Kuhnel Electronica 199: Lineare und nichtlineare Analogschaltungen mit OPV. Militarverlag der DDR,1982

[22] Winfried Muller Optoelektronische Sender, Empfanger und Koppler. Militarverlag der DDR

[23] Christian Weissmantel, Richard Lenk, Wolfgang Forker, Rudolf Ludloff, Johannes Hoppe ATOM Struktur derMaterie. Verlag Enzyklopadie Leipzig

[24] Jiri Dostal Operationsverstarker. Verlag Technik Berlin, 1986

[25] V. Lakshminarayanan Electronic Circuit Design Ideas. Butterworth-Heinemann Ltd 1995

[26] Klaus Schlenzig / Dieter Jung Mikroelektronik fur Praktiker. Verlag Technik Berlin 1985

[27] Walt Kester, James Bryant, Mike Byrne / Analog Devices Grounding Data Converters and Solving theMystery of ”AGND” and ”DGND”.

[28] Analog Devices A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis.

[29] Analog Devices Datenblatt PWG AD9833

[30] Intersil Datenblatt Spannungskonverter ICL7660

[31] Joachim Franz EMV Storungssicherer Aufbau elektronischer Schaltungen. Vieweg+Teubner 2011

[32] Alan Rich Shielding and Guarding. Analog Dialogue 17-1 1983

[33] Mark I. Montrose Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance. IEEE 2000

Literaturquellen III

[34] Manfred Schmidt Signalintegritat. Vogel Verlag, 2013

[35] Howard Johnson / Marin Graham High-Speed Signal Propagation, Advanced Black Magic. Prentice Hall PTR2012

[36] H.J.Fischer / K.Schlenzig Schaltungssammlung fur den Amateur. Deutscher Militarverlag 1969

[37] R.Funke / S.Liebscher Grundschaltungen der Elektronik. VEB Verlag Technik Berlin 1969

[38] Mario Blunk / Blunk electronic Zuverlassigkeit in der Elektronik.http://www.blunk-electronic.de/pdf/zuverlaessigkeit.pdf

[39] Mario Blunk / Blunk electronic Testverfahren der Elektronik.http://www.blunk-electronic.de/pdf/testverfahren_der_elektronik.pdf

[40] Mario Blunk / Blunk electronic Design Checklist.http://www.blunk-electronic.de/pdf/Design_Checklist_en.pdf

[41] Mario Blunk / Blunk electronic Boundary Scan Training Teil 1.http://www.blunk-electronic.de/pdf/bst_teil_1.pdf

[42] Mario Blunk / Blunk electronic Boundary Scan Training Teil 2.http://www.blunk-electronic.de/pdf/bst_teil_2.pdf

[43] Mario Blunk / Blunk electronic Angleichung der Helligkeit von Status LEDs.http://www.blunk-electronic.de/pdf/LED_brightness_adjustment.pdf

[44] Mario Blunk / Blunk electronic Agile Hardware-Entwicklung.http://www.blunk-electronic.de/pdf/agile_HW/AgileHW-AgileSystems-2018_de.pdf

http://www.blunk-electronic.de/pdf/zuverlaessigkeit.pdf

http://www.blunk-electronic.de/pdf/testverfahren_der_elektronik.pdf

http://www.blunk-electronic.de/pdf/Design_Checklist_en.pdf

http://www.blunk-electronic.de/pdf/bst_teil_1.pdf

http://www.blunk-electronic.de/pdf/bst_teil_2.pdf

http://www.blunk-electronic.de/pdf/LED_brightness_adjustment.pdf

http://www.blunk-electronic.de/pdf/agile_HW/AgileHW-AgileSystems-2018_de.pdf

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