Mikrocontroller Schaltungstechnik

Mario Blunk

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

2019-03-25

Abstract

Mikrocontroller sind heute fester Bestandteil elektronischer Schaltungen.Ihre Anwendungen und ihre Typenvielfalt erweitern sich stetig. Wahrend

auf dem Gebiet der Softwareentwicklung Wissen und Erfahrung stetigzunehmen, ist in Sachen periphere Hardware ein gegenlaufiger Trend zu

beobachten. Dieses Seminar vermittelt die Grundlagen der Elektronikrund um den Mikrocontroller. Auf diese Weise werden Alternativen zuFertiglosungen gezeigt und somit auch die Abhangigkeit von Zulieferen

reduziert. Zur Anbindung von Mixed-Signal ICs werden auch die notigenSchnittstellen wie I2C oder SPI erklart. Die Themen

Spannungsversorgung und Signalintegriat werden behandelt. Anhand vonBeispielen aus erfolgreich realisierten Projekten und zahlreicher

Literaurempfehlungen erhalt das Seminar praktischen Nutzen fur denTeilnehmer.

Das Ziel

Figure 1: PCBA mit STM32F407 in medizinischer Anwendung

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

Figure 2: Prozessor-System

Einige CPUs:

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

2. Motorola 68000, PowerPC G4, ...

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

MikrocontrollerDas Konzept

1. Komponenten des gesamten Prozessor-Systems auf einemChip

2. CPU, RAM, FLASH-ROM

3. Schnittstellen: USB, UART, I2C, SPI, ...

4. Programmier-Equipment notig ...

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

MikrocontrollerPorts und Pins

Figure 3: Ports und Pins[34]

SW-Entwicklung gelost. Was ist mit Spannungsversorgung undPeripherie ?

MikrocontrollerPeripherie

Figure 4: Beschaltung

PeripherieFertiglosung vs. Eigenbau

Fertiglosung Eigenbau

platzsparend flexibel

Aufwand an Schaltungstechnikminimal

Einzelne Bauteile konnen ein-fach durch andere ersetzt wer-den (minimiert Gefahr von Ob-soleszenz).

in großen Stuckzahlenpreisgunstig

Nur benotigte Funktionen wer-den realisiert.

Genauigkeit, Temperatur-abhangigkeit, Drift be-herrschbar

Ausfall-Verhalten beherrschbar(siehe EN 61508 [42])

Uberblick

1. Grundlagen (R,C,L,Diode,Transistor, ...)

2. Entprellung von Tastern

3. Multiplexen von Ein- und Ausgangssignalen

4. Ansteuerung von MOSFETs, LEDs, ...

5. Schnittstellen (I2C, SPI, Microwire, ...)

6. Peripheriebausteine (ADC, DAC, PWM, DDS, ...)

7. Spannungsversorgung

8. Zuverlassiger Entwurf [21][23]

9. Design for Test und Manufacturing (DFT/DFM) [26]

10. Einfuhrung in Agile Hardware-Entwicklung [31]

Grundlagen

1. Spannung, Strom, Widerstand, Impedanz

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

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

4. bipolare Transistoren (NPN,PNP)

5. unipolare Transistoren (SFET, MOSFET)

6. Optokoppler

7. Belastbarkeit / Grenzwerte

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. Der Stromfluß wird durch den ohmschen Widerstand Rbehindert.

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

I =U

Roder R =

U

I(1)

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, Spulen,Leiterbahnen, Drahte, ...

i =u

Zoder Z =

u

i(2)

Grundlagen: passive BauelementeWiderstande: Symbol und Bauformen

Figure 5: Symbol im Schaltplan

Figure 6: THT-Widerstandeauf PCB

Figure 7: 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

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 · UDC

t(4)

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

Grundlagen: passive BauelementeKondensator: Symbol und Bauformen

Figure 8: Symbol im Schaltplan

Figure 9: KondensatorenTHT/SMD auf PCB

Figure 10:SMD-Kondensatoren auf PCB

Grundlagen: passive BauelementeKondensator: Belastbarkeit

1. maximale Betriebsspannung U

2. maximaler Betriebssstrom I

3. maximale Betriebstemperatur

4. Alterung steigt mit Betriebsspannung und Betriebstemperatur

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 =UDC · t

L(5)

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

Grundlagen: passive BauelementeSpule/Induktiviat: Symbol und Bauformen

Figure 11: Symbol imSchaltplan

Figure 12: Spule in THT aufPCB (schwarzer Block)

Grundlagen: passive BauelementeSpulen/Induktiviaten: Belastbarkeit

1. maximale Betriebsspannung

2. maximaler Betriebssstrom I → Temperatur steigt

3. Alterung steigt mit Betriebstemperatur

Grundlagen: passive BauelementeEin- und Ausschaltverhalten

Figure 13: Spannungen und Strome zum Zeitpunkt 0 und nach unendlichlanger Zeit ?

Grundlagen: aktive BauelementeDioden

Figure 14: Symbol im Schaltplan

1. Eine Diode erlaubt Stromfluß in nur einer Richtung.

2. Mindestspannung / Mindeststrom notig

3. Kennlinie U vs I nicht linear

Grundlagen: aktive BauelementeDiode: Symbol und Bauformen

Figure 15: Symbol im Schaltplan

Figure 16: Kennlinie einerDiode[43]

Figure 17: SMD-Diode aufPCB

Grundlagen: aktive BauelementeDiode: Belastbarkeit

1. maximale Sperrspannung Ur

2. maximaler Betriebssstrom If → Temperatur steigt

3. Alterung steigt mit Temperatur

Grundlagen: aktive BauelementeTransistor

1. Ein Transistor ist ein Verstarker.

2. Verwendung als Schalter (Digitaltechnik)

3. Verwendung als Signalverstarker (Analogtechnik)

Figure 18: bipolar npn Figure 19: SFET Figure 20: MOSFET

Grundlagen: aktive BauelementeTransistoren

Figure 21: Transistoren[10]

Grundlagen: aktive BauelementeTransistor: 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 BauelementeBipolar-Transistor

Figure 22: Kennlinien[10]Figure 23: Transistoren in SMT(DC-Motor-Treiber)

Grundlagen: aktive BauelementeBipolar-Transistor

Figure 24:Emitterschaltung

Figure 25:Kollektorschaltung

Figure 26:Basisschaltung

Grundlagen: aktive BauelementeBipolar-Transistor

Figure 27: Testschaltung [7]

Achtung !

Versuch beginnen mit Potentiometer am unteren Anschlag ! UBE

max. 0,8V ! Evtl. Basistrom uberwachen !

Grundlagen: aktive BauelementeTransistor: Belastbarkeit / Grenzwerte

1. maximale Sperrspannung Uce (Bipolare T.)

2. maximale Sperrspannung Uds (Feldeffekt T.)

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

4. maximale Verlustleistung Pv

5. Alterung steigt mit Temperatur

Optoelektronische BauteileFotodiode

Figure 28: Symbol

1. lichtempfindliche Diode

2. fur bestimmten Bereich der Wellenlange ausgelegt

3. Belastbarkeit siehe Seite 23

Optoelektronische BauteileFotodiode

Figure 29: mit Transistor als Verstarker[40]

Optoelektronische BauteileLeuchtdioden - LED

Figure 30: Symbol im Schaltplan

Figure 31: THT-LEDs aufPCB

Figure 32: SMD-LEDs aufPCB

Optoelektronische BauteileLeuchtdioden - LED

Figure 33: Symbol im Schaltplan

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

2. Belastbarkeit siehe Seite 23

3. Flußspannung je nach Farbe von 1,8V bis 3,2V

4. Berechnung Vorwiderstand nach Helligkeit siehe [30]

Optoelektronische BauteileDisplays

Figure 34: SymbolFigure 35: 7-Segment Anzeigein THT

1. Status-Anzeige zum Debuggen

2. Technologien: Liquid Crystal - LCD, Light Emitting Diode -LED, Vakuum-Fluoreszenz - VFD

3. Multiplexen spart MCU-Ports

Optoelektronische BauteileOptokoppler

Figure 36: 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 37: Innenleben[40] Figure 38: Eigenbau[40]

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

Figure 39: Applikation mit LED-Treiber und Komparator[40]

1. Galvanische Trennung

2. Potentialtrennung

Reset, Einschalten, Uberspannung, Unterspannung,AbschaltenPower-On-Reset

Figure 40: Reset[33]

Reset, Einschalten, Uberspannung, Unterspannung,AbschaltenPower-On-Reset

Figure 41: Reset

Kombination mit Detektor fur Unterspannung ?

Reset, Einschalten, Uberspannung, Unterspannung,AbschaltenBetriebsspannung

1. MCU evtl. mit Brownout-Detektor ausgestattet

2. Verhalten der Peripherie bei Unterspannung ?

3. Sicherheitsrelevante Anwendungen (Flugobjekte, Motoren,Ventile, ...)

Reset, Einschalten, Uberspannung, Unterspannung,AbschaltenUberwachung: integrierte Losung

Figure 42: LTC2912 Figure 43: LTC2912

Digitale Schaltungendiskret mit Transistor, Diode und Widerstand

Anwendung: Logische Verknupfung von Signalen in der Peripherie(verschiedene Spannungsbereiche).

Figure 44: Negation Figure 45: UND Figure 46: ODER

Digitale SchaltungenMultiplexer / Demultiplexer

Figure 47: Multiplexer Figure 48: Demultiplexer

Digitale SchaltungenDemultiplexer

Abfrage von Endlagen von DC-Motoren oder Ventilen

Figure 49: mit 74HC251

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

1. Betriebsspannung

2. Stromaufnahme / Leistungsaufnahme

3. Spannungen fur H/L Pegel

4. Schaltgeschwindigkeit

SchaltkreisfamilenSchaltkreisfamilen: H/L-Pegel

Figure 50: Pegel TTL [2]

Figure 51: Leistungsaufnahme, Schaltzeiten, Ausgangsstrom [2]

Analoge SchaltungenOperationsverstarker

Figure 52: diskret aufgebaut

Analoge SchaltungenOperationsverstarker

Figure 53: integrierter OPV UA741[3]

1. Eingangssstrome beachten

2. Hub der Ausgangsspannung begrenzt

3. Ausgangsleistung beachten !

Analoge SchaltungenOperationsverstarker

Figure 54: integrierter OPV CA3130[3]

1. Eingangssstrome vernachlassigbar

2. Hub der Ausgangsspannung nahe an U+ und U-

3. Ausgangsleistung beachten !

Analoge SchaltungenKomparator

Figure 55: Komparator

Analoge SchaltungenOperationsverstarker: invertierend / nicht-invertierend

Figure 56: invertierender OPV

Figure 57: nicht-invertierender OPV

Analoge SchaltungenOperationsverstarker: Schmitt-Trigger

Figure 58: Schmitt-Trigger nicht invertierend

Figure 59: Schmitt-Trigger invertierend

Analoge SchaltungenOperationsverstarker: Addition und Subtraktion

Figure 60: Addierer Figure 61: Subtrahierer

Weitere Operationen: Multiplikation, Division, Logarithmieren,Potenzieren[12]

Analoge SchaltungenOperationsverstarker: Integration und Differentiation

Figure 62: Integrator Figure 63: Differenzierer

Siehe [12]

Analoge SchaltungenFilter: Tiefpaß und Hochpaß

Figure 64: passiver Tiefpaß 1.Ordnung

Figure 65: passiver Hochpaß1.Ordnung

Figure 66: Frequenzgang undPhase[7]

Analoge SchaltungenFilter: Tiefpaß und Hochpaß

Figure 67: aktiver Tiefpaß2.Ordnung

Figure 68: aktiver Hochpaß2.Ordnung

Siehe [7]

Analoge SchaltungenSchalter und Multiplexer

Figure 69: Schalter schematisch

Analoge SchaltungenSchalter und Multiplexer

Figure 70: Analog Multiplexer CD74HC4051 [4]

Analoge SchaltungenRechteckgenerator diskret

Figure 71: der Klassiker in diskreter Bauweise

Analoge SchaltungenRechteckgenerator mit OPV

Figure 72: mit OPV

Analoge SchaltungenRechteckgenerator mit NAND-Schmitt-Trigger

Figure 73: mit 4093

Analoge SchaltungenDreieckgenerator

Figure 74: mit 2 OPV

Synthese einer Sinusform durch nachgeschalteten Sinusformermoglich.

Gemischte Schaltungen / mixed SignalAuswahlkriterien 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, ...)

Gemischte SchaltungenAnalog-Digital-Wandler (ADC): Blockschaltung

Figure 75: Prinzip

Gemischte SchaltungenAnalog-Digital-Wandler (ADC): Verfahren der Umsetzung

1. Parallelumsetzer

2. Wageverfahren (sukzessive Approximation)

3. Zahlverfahren (serielle Wandler)

4. andere

siehe [3][13]

Gemischte SchaltungenAnalog-Digital-Wandler (ADC): integriert

Figure 76: MAX1169[36]

Gemischte SchaltungenAnalog-Digital-Wandler: Analog Masse vs. digital Masse

Figure 77: AGND / DGND

siehe [19]

Gemischte SchaltungenAnalog-Digital-Wandler: Analog GND und digital GND

Figure 78: AGND und DGND in Spannungsversorgung

Gemischte SchaltungenAnalog-Digital-Wandler: Analog GND und digital GND

Figure 79: AGND und DGND im Layout

Gemischte SchaltungenDigital-Analog-Wandler (DAC)

Figure 80: Prinzip

Verfahren der Umsetzung:

1. Parallelumsetzer (gewichtete Widerstande oder Stromquellen)

2. Puls-Weite-Modulation (PWM)

siehe [3][13]

Gemischte SchaltungenDigital-Analog-Wandler (DAC): Parallelwandler integriert

Figure 81: Quelle Datenblatt MAXIM MAX5823

Gemischte SchaltungenDigital-Analog-Wandler (DAC): Parallelwandler integriert

Figure 82: MAX5825

Gemischte SchaltungenDigital-Analog-Wandler (DAC): Parallelwandler integriert

Figure 83: auf PCB

Gemischte SchaltungenDigital-Analog-Wandler (DAC): Gewichtete Widerstande

Figure 84: 4 BitDAC[41] Figure 85: 4 Bit DAC[41]

Gemischte SchaltungenDAC: Gewichtete Widerstande zur Steuerung eines Spannungsreglers

Figure 86: MOSFETs Figure 87: Spannungsregler

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

Gemischte SchaltungenDigital-Analog-Wandler (DAC): PWM

Figure 88: Timer im MCU[33]

Gemischte SchaltungenDigital-Analog-Wandler (DAC): PWM

Figure 89: Glattung des PWM-Signals

τRC > 10 · TTIM (6)

Gemischte SchaltungenDigital-Analog-Wandler (DAC): PWM

Figure 90: 12 Bit DAC mit diskreter Logik

Gemischte SchaltungenDirekte Signalsynthese (DSS)

Figure 91: Prinzip eines ROM-basierten Funktionsgenerators[13]

1. beliebige Signalform bis in GHz-Bereich erzeugbar

2. Ausgangsfrequenz sehr stabil und fein abstimmbar

3. Ausgangsfrequenz per MCU oder CPU steuerbar

Gemischte SchaltungenDirekte Signalsynthese (DSS)

Figure 92: Blockschaltung

M (FREQREG) bestimmt die Sprungweite innerhalb der LUT undsomit die Ausgangsfrequenz

fo =M · fclk

2N(7)

Gemischte SchaltungenDirekte Signalsynthese (DSS)

Figure 93: IC AD9833 [37]

Gemischte SchaltungenDirekte Signalsynthese (DSS)

Figure 94: IC AD9854 [20]

Serielle Datenubertragung

1. geringer Aufwand an Verdrahtung/Layout

2. genormte Protokolle

3. Peripherie: ADC, DAC, Expander (PIO), Speicher, DSS, ...

4. I2C (echter Bus mit vielen Teilnehmern)

5. SPI/Microwire

Serielle DatenubertragungI2C

Figure 95: Bus-Struktur

Serielle DatenubertragungI2C

Figure 96: vollstandiger Sendevorgang von 8 Bit zum DAC[35]

Serielle DatenubertragungI2C

Figure 97: vollstandiger Empfang von 16 Bit vom ADC[36]

Serielle DatenubertragungI2C

Figure 98: Adresse des Empfangers (Slave)[35]

Serielle DatenubertragungSPI

Selektion des Teilnehmers / Slave via CS / SS (Chip Select/SlaveSelect)

Figure 99: Struktur

Datenausgang am Master: MOSI Master Output / Slave InputDateneingang am Master: MISO Master Input / Slave Output

https:

//en.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface

Serielle DatenubertragungSPI

Figure 100: verschiedene MCU als Master[37]

Serielle DatenubertragungSPI

Figure 101: Empfang von 16 Bit vom ADC[38]

Eingehende SignaleEntprellung von Tastern

Figure 102: einfacheEntprellung[14]

Figure 103: einfacheEntprellung[14]

MCU Eingange sind oft nicht mit Schmitt-Triggern ausgestattet.Typ 4093 verwenden !

Eingehende SignaleVerlangerung von Impulsen

Figure 104: Verlangerung des H-Pulses[14]

Eingehende SignaleVerkurzung von Impulsen

Figure 105: Verkurzung des H-Pulses[14]

Eingehende SignaleHohe Eingangsspannungen

Figure 106:Spannungsteiler[14]

Figure 107: mitZ-Diode[14]

Figure 108:Klemmdioden[14]

Datenblatt MCU / Grenzwerte interner Klemmdioden beachten !

Eingehende SignaleNiedrige Eingangsspannungen

Figure 109: mit Transistor als Vorverstarker[14]

Eingehende SignaleNiedrige Eingangsspannungen

Figure 110: mit Komparator[14]

Eingehende SignaleFormung mit Schmitt-Trigger

Figure 111: mitNAND-Gattern[14]

Figure 112: CMOSTyp 4093[14]

Ausgehende Signaleeinfache Schaltstufe

Figure 113: einfacheSchaltstufe[14]

Figure 114: mitBeschleunigungskondensator[14]

Ausgehende SignaleAnsteuerung von LEDs

Figure 115: mitBipolartransistor[14] Figure 116: mit MOSFET

Anpassung Helligkeit von LEDs siehe [30].

Ausgehende SignaleAnsteuerung von LEDs

Figure 117: LED-Treiber mit Stromquelle

Anpassung Helligkeit von LEDs siehe [30].

Ausgehende SignaleAnsteuerung von MOSFETs

Figure 118: MOSFET-Treiber[32]

Eingangskapazitat von MOSFETs beachten !

Ausgehende SignaleAnsteuerung von Relais und Motoren

1. Abschalt-Induktion beachten (Freilauf-Dioden)

2. Anlauf-Strom von Motoren

3. Zustand wahrend Reset ?

4. Zustand nach Abschalten ?

5. Zustand bei Uber/Unterspannung ?

Stromquellensehr einfach und diskret

Figure 119: Z-Diode und Transistor [3]

Stromquellenmit OPV

Figure 120: OPV und Transistor [3]

Stromquellenmit OPV und MOSFET

Figure 121: OPV und MOSFET

Lesen von DatenblatternGrenzwerte

Figure 122: Grenzwerte[33]

Lesen von DatenblatternGrenzwerte

Figure 123: Grenzwerte[33]

Lesen von DatenblatternKennwerte

Figure 124: Betriebsspannungen[33]

Lesen von DatenblatternKennwerte

Figure 125: Eingangsspannungen[33]

Lesen von DatenblatternKennwerte

Figure 126: Ausgangsspannungen[33]

Energieversorgung

1. Spannungsquellen

2. Gleichrichtung

3. Lineare Regler / Schaltregler

4. Abblockung / Layout

EnergieversorgungEin - und Ausgangsgroßen

Figure 127: Ein-und Ausgangsgroßen[3]

EnergieversorgungSpannungsquellen im System

Figure 128: System der Spannungsversorgung[3]

Energieversorgung: GleichrichtungEinweg

Figure 129: Transformator und Diode[3]

Figure 130: mit Kondensator [3]

Energieversorgung: GleichrichtungZweiweg

Figure 131: Brucke [3]

Figure 132: symmetrisch [3]

Energieversorgung: SpannungsquellenLineare Regler diskreter Aufbau

Figure 133: diskret [8]

Bei hohen Eingangsspannungen evtl. Alternative zu integriertemRegler.

Energieversorgung: SpannungsquellenLineare Regler als IC

Figure 134: integiert [5]

1. Verlustleistung beachten

2. minimale Eingangsspannung beachten

Energieversorgung: SpannungsquellenSchaltregler: Prinzip

Figure 135: mit Drossel [8]

Figure 136: mit Transformator/Ubertrager [8]

EnergieversorgungSchaltregler: integriert

Figure 137: LT1072[6]

EnergieversorgungSchaltregler: integriert

Figure 138: integrierte DCDC-Wandler

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 139: ICL7660[44]

EnergieversorgungAbblockung

Figure 140: Abblockung nahe am IC

siehe[23]

EnergieversorgungAbblockung

Figure 141: Abblockung nahe am IC

EnergieversorgungAbblockung

Figure 142: Abblockung nahe am IC

EnergieversorgungAbblockung

Figure 143: MCU auf Unterseite

EnergieversorgungAbblockung

Figure 144: Abblockung auf Oberseite

Datenubertragung / SignalintegritatDas 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 145: Modell [2]

siehe [24]

Datenubertragung / SignalintegritatDas Modell der Leitung

Figure 146: 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

Datenubertragung / SignalintegritatSignalintegritat (SI)

1. Ziel: unveranderte Signalform am Ausgang der Leitung

2. haufige Probleme: Reflexionen, Clock-Echos, zu langsamePegelwechsel → Fehlfunktionen digitaler Logik

siehe [2] [23] [24]

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. Stichworter: Fluxkompensation[23], Schirmung[22]

5. Normungen, Standards, ...

Entwurf zuverlassiger Schaltungen

1. Schutzmaßnahmen gegen Uberspannung / Uberstrom / ESD[23]

2. Kuhlung von Bauteilen (Warmewiderstand, Kuhlkorper)

3. Ein- und Ausschaltverhalten (evtl. Sequenzer verwenden)[27]

4. Speicherinhalt bei Einschalten (Irrer Iwan - Effekt)

5. Reset, Brown-Out (Irrer Iwan)

6. Kopplung Systeme mit 2,5V, 3,3V, 5V, hohe, negativeEingangsspannungen ...

7. offene Eingange vermeiden

8. Ausfallraten / MTBF / Zuverlassigkeit [25]

Entwurf zuverlassiger SchaltungenSchutzmaßnahmen gegen Uberstrom

1. Schmelzsicherung

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

Figure 147: Verpolungsschutz

Achtung !

Schutzmaßnahmen moglichst einfach entwerfen !

Entwurf zuverlassiger SchaltungenSchutzmaßnahmen gegen Uberspannung

Figure 148: gegennegativeUberspannung

Figure 149: mitZ-Diode oderSupressor-Diode

Figure 150: mitVaristor

Figure 151: mitThyristor

Entwurf zuverlassiger SchaltungenKuhlung von Bauteilen

Figure 152: Analogie ohmscher Widerstand zu thermischer Widerstand

Figure 153: Kette der Warmewiderstande

Entwurf zuverlassiger SchaltungenKuhlung von Bauteilen

Figure 154: Analogie ohmscher Widerstand zu thermischer Widerstand

Figure 155: Beispiel Transistor [15]

Entwurf zuverlassiger SchaltungenKuhlung von Bauteilen

Figure 156: Kuhlung eines Linearreglers durch Kupferflache

Entwicklung und Fertigung von ElektronikAchtung Manager: Elektronik macht man nicht nebenbei !!!

Figure 157: Entwicklung und Fertigung Ablauf

Entwicklung und Fertigung von ElektronikAchtung Manager: Elektronik macht man nicht nebenbei !!!

1. Modelle der Entwicklung: Wasserfall, agile Entwicklung [31]

2. Dokumentation wird oft vernachlassigt (keine proprietarenFormate verwenden !)

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

4. Materialwirtschaft, ERP

5. Design for Manufacturing/Test (DFM/DFT) [27]

6. Testverfahren (MVI, AOI, AXI, ICT, FPT, BST, BIST, FT)[26]

7. Boundary Scan (IEEE1149.x) [28] [29]

Entwicklung und Fertigung von ElektronikDas Ziel

Literaturquellen I

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

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

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

[4] Texas Instruments Datenblatt CD74HC4051. Datenblatt Analogmultiplexer CD74HC4051

[5] Texas Instruments Datenblatt LM1117x. Datenblatt Spannungsregler LM1117x

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

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

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

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

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

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

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

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

[14] Frank Sichla Electronica 248: Digitale Grundschaltungen. Militarverlag der DDR, 1990

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

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

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

Literaturquellen II

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Literaturquellen III

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

[32] Rolwand Rowland Gate-Treiber https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=18571797

[33] STMicroelectronics Datenblatt MCU STM32F407xx

[34] Microchip Datenblatt MCU PIC16F8X

[35] Maxim IC Datenblatt DAC MAX517

[36] Maxim IC Datenblatt ADC MAX1169

[37] Analog Devices Datenblatt PWG AD9833

[38] Linear Technology Datenblatt ADC LTC2452

[39] Wikipedia Serial Peripheral Interface. https://en.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface

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

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

[42] Josef Borcsok Funktionale Sicherheit. VDE Verlag

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

[44] Intersil Datenblatt Spannungskonverter ICL7660