Allgemeine Fragen zur Masseführung in Verstärkern

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Keksstein
Inventar

#1 erstellt: 26. Okt 2013, 20:36

Hallo Zusammen,

mir ist bewusst das Thema gibt es schon gefühlte 100 mal, trotzdem bleiben bei mir noch ein paar allgemeine Fragen offen wo ich über eine Erklärung dankbar wäre.

Ich bin leider (noch) kein Experte auf dem Gebiet, gerade mal mit der Ausbildung fertig aber ich bastel gerne an Audioschaltungen und eigne mir so Wissen an oder Frage einfach Kollegen, Schaltungsentwickler aus dem Geschäft oder lese mal an geeigneten stellen im Netz nach. Das führt insgesamt aber nur zur Verwirrung weil es mehrere verschiedene Meinungen dazu gibt....

Meistens verwenden Schaltungsentwickler eine Sternpunktmasse, Ziel ist das sich mehrere hintereinandergeschaltete Verstärkerstufen nicht gegenseitig beeinflussen oder es zu Masseschleifen kommt, das leuchtet mir ein. Dabei wird der Sternpunkt möglichst an einen "sauberen" Punkt gelegt, zum Beispiel am letzten Siebelko. (auf keinen Fall zwischen Elko und Gleichrichter und so nah wie möglich am Elko)
Die verschiedenen Verstärker verwenden lokal auch Sternpunkte, legen also Versorgungs und Signalmasse zusammen. Führt man den Gedanken weiter hat man für "beide" Massen einen klaren weg vorgegeben und zwar direkt zusammen Richtung zentralen Sternpunkt und von da zusammen auf den nächsten Verstärker.

Und genau an diesem Punkt verstehe ich es nicht mehr, wenn ich beide Massen zusammen führe kann ich kein perfektes Ergebnis mehr erhalten da der Versorgungsstrom den Signalstrom beeinflussen kann. (Störungen in der Versorgung landen direkt auf dem Audio Signal oder täusche ich mich?) Nach meinem Verständnis wäre das ganze dann vom Widerstand der Verbindung zwischen beiden Sternpunkten abhängig, ist die Leitung entsprechend lang wird es immer Problematischer da der Leitungswiderstand steigt.

Führt man jeden einzelnen Punkt zentral zur Masse (also ohne lokale Sternpunkte) hat man das selbe Problem, zusätzlich hat man der Masse keinen "klaren" weg mehr vorgegeben wodurch sich Störungen leicht ausbreiten.

Mein nächster Gedanke war eine riesige niederohmige Groundplane die dann über eine einzige Leitung zum letzten Siebelko geht, man könnte eine 2 lagige Leiterplatte verwenden und die Top-Seite als durchgehende Masse verwenden. Das hab ich bei Audio Schaltungen selten gesehen, wird bestimmt auch einen Grund haben wobei ich selbst nie Probleme damit hatte in Versuchen. Unser EMV-Experte im Geschäft hat mir davon abgeraten und die Sternpunktmasse empfohlen da sich auf einer einzigen Groundplane Störungen besser ausbreiten können, die Masse kann den Weg nehmen "der ihr gefällt"....

Ich hoffe ich konnte klar machen wo mein Verständnisproblem liegt und hoffe das Ihr mir weiterhelfen könnt.

Gruß,

Jan

Rentner323
Stammgast

#2 erstellt: 26. Okt 2013, 21:50

Unser EMV-Experte ...

Oh wei...

Dein beschriebenes vorgehen mit einer 2 lagigen Platine wird häufig bei HF-Anwendungen verwendet.
Sowas in einer Audio-Verstärkerschaltung zu verwenden ist wie mit Kanonen auf Spatzen schießen, aber auf keinen Fall nachteilig!

Folgende ausrücke:

...da sich auf einer einzigen Groundplane Störungen besser ausbreiten können...

...einen "sauberen" Punkt gelegt...

...weiter hat man für "beide" Massen einen klaren weg vorgegeben...

Klingen wie aus einem Esoterik-Buch, auf dem Gebiet kenne ich mich leider nicht aus.

[Beitrag von Rentner323 am 26. Okt 2013, 21:52 bearbeitet]

Keksstein
Inventar

#3 erstellt: 26. Okt 2013, 22:04

Hallo Rentner323,

Wenn das "mit Kanonen auf Spatzen schießen" ist wie geht's dann richtig? Sternmasse nehme ich an?

Erster Satz stammt 1:1 von unserem EMV-Menschen.

Die anderen Sätze wollte ich nur vereinfachen, sollte nicht Esoterisch wirken. Deshalb auch die Anführungszeichen "".

Gruß,

Jan

Warf384#
Inventar

#4 erstellt: 27. Okt 2013, 01:23

Wenn das "mit Kanonen auf Spatzen schießen" ist wie geht's dann richtig? Sternmasse nehme ich an?

Ja, jedoch können auch Kanonen gegen Spatzen effektiv wenn auch etwas übertrieben eingesetzt werden.
Wobei ich die Idee eher sogar als eine Bombe am Vogelkäfig bezeichnen würde.

Führt man jeden einzelnen Punkt zentral zur Masse (also ohne lokale Sternpunkte) hat man das selbe Problem, zusätzlich hat man der Masse keinen "klaren" weg mehr vorgegeben wodurch sich Störungen leicht ausbreiten.

....zusätzlich hat man garnichts, die lokale Masse verringert nur die Anzahl der notwendigen Kabel.

...weiter hat man für "beide" Massen einen klaren weg vorgegeben...

Durch die Knotenpunktregel, ein wichtiger Grundbaustein im Bereich Elektronik, Hydraulik und Pneumatik, klingt das einfach nur falsch.

Es kommt in erster Linie darauf an, dass das Potential zwischen den Massepunkten gegen Null geht, da ein Auseinanderdriften der Massepotentiale sich auf das zu verstärkende Eingangssignal auswirkt. Jede Spannungsschwankung zwischen Masse und Signal ist eine Spannungsschwankung des Signals, also ein Störgeräusch.

Der Verstärker macht im Grundprinzip schließlich nichts anderes, als die Differenz zwischen seiner Masse und dem Eingang zu messen und in höherer Größenordnung auszugeben.

Dadurch ist es also alles andere als egal, wo sich Unterschiede in der Masse zeigen: Ein erhöhter Widerstand in der Masse zwischen zwei Endstufen macht wohl kaum etwas aus, da dort kein Signal übertragen wird, genau so wenig zwischen Endstufe und Netzteil, sobald aber ein zu hoher Widerstand von der Endstufe zur Masse der Eingangssignals vorhanden ist, hat man den Kampf gegen das Brummen verloren.

(Störungen in der Versorgung landen direkt auf dem Audio Signal oder täusche ich mich?

Wenn ich deine Ausführung nicht missverstanden habe, dann werden die Störungen auf Masse eher ausgeglichen als übertragen, da die Masse nicht absolut, sondern relativ zum Ein/Ausgangssignal und der Versorgungsspannung ist.

[Beitrag von Warf384# am 27. Okt 2013, 01:37 bearbeitet]

Keksstein
Inventar

#5 erstellt: 27. Okt 2013, 13:48

Hallo Warf384#,

Durch die Knotenpunktregel, ein wichtiger Grundbaustein im Bereich Elektronik, Hydraulik und Pneumatik, klingt das einfach nur falsch.

Deshalb wieder die Anführungszeichen, richtig ist meine Formulierung natürlich nicht aber ich dachte es wäre so einfacher mein Denkproblem zu verstehen.

Es kommt in erster Linie darauf an, dass das Potential zwischen den Massepunkten gegen Null geht, da ein Auseinanderdriften der Massepotentiale sich auf das zu verstärkende Eingangssignal auswirkt. Jede Spannungsschwankung zwischen Masse und Signal ist eine Spannungsschwankung des Signals, also ein Störgeräusch.

Dann stimmt mein Gedankengang ja, man müsste in der Praxis also möglichst hohe Leitungsquerschnitte für GND des Verstärkers zum Sternpunkt verwenden und die Verbindung möglichst kurz halten? Aber ein komplett gleiches Potential erreicht man ja nie bedingt durch die Leitungswiderstände der Verbindung zwischen beiden Punkten?

Dadurch ist es also alles andere als egal, wo sich Unterschiede in der Masse zeigen: Ein erhöhter Widerstand in der Masse zwischen zwei Endstufen macht wohl kaum etwas aus, da dort kein Signal übertragen wird, genau so wenig zwischen Endstufe und Netzteil, sobald aber ein zu hoher Widerstand von der Endstufe zur Masse der Eingangssignals vorhanden ist, hat man den Kampf gegen das Brummen verloren.

Nach meinem bisherigen Verständnis heißt das das ein zentraler Sternpunkt "angelegt" wird der mit möglichst kurzen Leitungen an die einzelnen Stufen geführt ist. (z.B Treiberstufe separat zum Sternpunkt, Endstufe separat zum Sternpunkt...)
Wenn ich die Endstufe jetzt aber weit aussteuere und ein hoher Laststrom fliesen wird werde ich ja unweigerlich auch recht hohe Spannungsabfälle auf der Masse bekommen die sich dadurch auf mein Signal addieren. Nimmt man das echt in kauf?

Meine Formulierung war nicht gut, ich meinte das eine Verstärkerstufe Störspitzen (warum auch immer) produziert und
ich diese dadurch auch auf meinem Signal habe.

Gruß,

Jan

Warf384#
Inventar

#6 erstellt: 27. Okt 2013, 16:12

Ein komplett gleiches Potenzial ist bei Last unmöglich, eine starke Annäherung zwischen Signalmasse und Massepunkt der Endstufe aber sehr wohl.

Wenn ich die Endstufe jetzt aber weit aussteuere und ein hoher Laststrom fliesen wird werde ich ja unweigerlich auch recht hohe Spannungsabfälle auf der Masse bekommen die sich dadurch auf mein Signal addieren.

Die Spannungsabfälle sind nur da, wo auch der Strom fließt. Wenn die nicht zwischen der Signalmasse und der Endstufe fließen, übertragen sich also auch keine Verluste.

Das Eingangssignal "schwebt" auf der Masse, an der es angelegt ist, geht also mit dem geringen Spannungsabfall mit, sodass hier keine Differenz entsteht und nichts übertragen wird.

Um das zu testen, kann man einfach einen größeren Widerstand (~2 Ohm; Bei üblichen Leitungswiderständen redet man von Werten wie 0,010 Ohm) vom Massesternpunkt zum Netzteil (bitte nur, wenn die Verstärkerschaltung ausreichend Pufferkondensatoren besitzt!) zwischenschalten.

Da kommen wird auch gleich zum nächsten Punkt: Die angesprochenen Störspitzen werden von den Pufferkondensatoren so gut es geht ausgeglichen, genauso auch von der Last der Stufe verursachte Spannungsschwankungen.

Gruß
Warf384

Keksstein
Inventar

#7 erstellt: 27. Okt 2013, 22:55

Hallo Warf384#,

ich will mich nochmal für Deine und Rentner323s Erklärungen bedanken.

Eine Sache ist mir aber nach wie vor nicht klar:

Die Spannungsabfälle sind nur da, wo auch der Strom fließt. Wenn die nicht zwischen der Signalmasse und der Endstufe fließen, übertragen sich also auch keine Verluste.

Egal wie ich das Layout ausführe habe ich aber immer den Zustand das Signal und Laststrom über die gleiche Verbindung fließen, zumindest wenn vor der Endstufe nochmals ein Verstärker sitzt was eigentlich immer der Fall ist. (Treiberstufe etc....)

Da kommen wird auch gleich zum nächsten Punkt: Die angesprochenen Störspitzen werden von den Pufferkondensatoren so gut es geht ausgeglichen, genauso auch von der Last der Stufe verursachte Spannungsschwankungen.

Das ist klar, bekommt man das so gut hin das der Spannungsabfall auf der Leitung praktisch nicht erwähnenswert variiert? (Sorry für die Formulierung ich hoffe es ist verständlich was ich meine)

Gruß,

Jan

audiophilanthrop
Inventar

#8 erstellt: 27. Okt 2013, 23:43

Keksstein (Beitrag #7) schrieb:

Öhm... Wieso das?

Vorverstärkermasse zum Sternpunkt, Eingangsmasse Endstufe zum Sternpunkt, Ausgangsmasse Endstufe zum Sternpunkt, und die Rückleitung vom LS zum Sternpunkt - dann ist der Käse doch gegessen. Oder was meinst du?

Mit einer Groundplane kann man grundsätzlich schon arbeiten, sollte dabei aber auf Einschnürungen derselben achtgeben (es sei denn, man will irgendwo eine nennenswerte Induktivität haben, etwa um die Masse von Digital- und Analogteil zu trennen). Im Extremfall einer starken mittigen Aushöhlung landet man bei Masse einmal rund um die Platine, was eine 1A Masseschleife ergibt.

PeterFW
Stammgast

#9 erstellt: 28. Okt 2013, 00:21

audiophilanthrop (Beitrag #8) schrieb:

Mit einer Groundplane kann man grundsätzlich schon arbeiten, sollte dabei aber auf Einschnürungen derselben achtgeben

Ein Großteil am PCB Design ist Kunst und Erfahrung, das lernt man nur durch üben, üben, üben und Misserfolg.

Zum Thema Groundplanes... Wenn man Zweilagig arbeitet bietet es sich an auf eine Seite ein Potential zu legen wenn dort nicht allzuviele Signale laufen. Trotzdem routet man dann GND von Hand um einen überblick zu haben und legt danach dann einfach eine Fläche drüber, kontrolliert wo es eng werden könnte oder Probleme gibt und spart diese stellen von Hand aus.

Der Vorteil ist eine kontollierte Masseführung bei kleinstmöglichem Widerstand.
Idealerweise nimmst du vier Layer, auf den Aussenlayern Signal und auf den beiden inneren GND und V+

Grüße,
Peter

Keksstein
Inventar

#10 erstellt: 28. Okt 2013, 00:30

Hallo audiophilanthrop,

danke für die Erklärung!

Vorverstärkermasse zum Sternpunkt, Eingangsmasse Endstufe zum Sternpunkt, Ausgangsmasse Endstufe zum Sternpunkt, und die Rückleitung vom LS zum Sternpunkt - dann ist der Käse doch gegessen. Oder was meinst du?

Ich denke ich habe irgendwo ein mächtiges Denkproblem und stehe mir selbst im Weg

Woher bekommt die Endstufe denn die Masseverbindung zum Signal? (Ich mache morgen Abned eine Skizze um zu zeigen was ich meine.)

Mit einer Groundplane kann man grundsätzlich schon arbeiten, sollte dabei aber auf Einschnürungen derselben achtgeben (es sei denn, man will irgendwo eine nennenswerte Induktivität haben, etwa um die Masse von Digital- und Analogteil zu trennen). Im Extremfall einer starken mittigen Aushöhlung landet man bei Masse einmal rund um die Platine, was eine 1A Masseschleife ergibt.

Gemeint war wirklich ein Layer komplett als GND, z.B. die Topseite ohne das auf ihr andere Leitungen geführt werden. Wenn das funktioniert wäre es Ideal weil es praktisch wenig Fehlerpotential gibt, andererseits verschenkt man auch Platz für Leiterbahnen.

Gruß,

Jan

Keksstein
Inventar

#11 erstellt: 28. Okt 2013, 00:49

Hallo Peter,

auch danke an Dich!

Dein Tipp erleichtert es mir, manchmal kommt man selbst nicht auf solche Ideen.

Ich habe früher für meine Versuchsschaltungen (meistens simple Sachen mit OPVs) als erstes die Groundplane gelegt und zwischendrin die Leiterbahnen gezogen, am Schluss dann halt kontrolliert ob überall an "kritischen" Stellen genug Fläche vorhanden ist. (und sich die Stufen nicht gegenseitig durch die Lastströme stören könnten wobei das bei der geringen Stromaufnahme der OPVs sowieso egal sein dürfte)

Der Vorteil ist eine kontollierte Masseführung bei kleinstmöglichem Widerstand.
Idealerweise nimmst du vier Layer, auf den Aussenlayern Signal und auf den beiden inneren GND und V+

2 Layer LPs kann ich noch (bedingt) selbst herstellen, falls ich mal etwas kritisches machen sollte denke ich über 4 Layer nach.

Gruß,

Jan

On
Hat sich gelöscht

#12 erstellt: 29. Okt 2013, 13:00

Hallo,

die Lautsprechermasse gehört an die Signalmasse. Das ist alles. Besondere Drahtstärken sind nicht notwendig.

Grüße
Olaf

killersnake
Stammgast

#13 erstellt: 31. Okt 2013, 21:26

Der Vorteil ist eine kontollierte Masseführung bei kleinstmöglichem Widerstand.
Idealerweise nimmst du vier Layer, auf den Aussenlayern Signal und auf den beiden inneren GND und V+

Grüße,
Peter

Hi,
Und schon hast du eine der Signallagen vom Bezugspotential abgeschnitten.
Eine Grund oder Supplyplane sollte niemals durch Leiterbahnen zerschnitten werden.

Keksstein
Inventar

#14 erstellt: 02. Nov 2013, 13:02

Hallo Zusammen,

ich habe in letzter Zeit ein bisschen in Application Sheets von TI und Wolfson für deren DACs geschaut, das war so mit die kritischste Anwendung die mir eingefallen ist. Sehr interessant zum Thema.

die Lautsprechermasse gehört an die Signalmasse. Das ist alles. Besondere Drahtstärken sind nicht notwendig.

Am zentralen Sternpunkt nehme ich an?

Und schon hast du eine der Signallagen vom Bezugspotential abgeschnitten.
Eine Grund oder Supplyplane sollte niemals durch Leiterbahnen zerschnitten werden.

Bei einfachen OP Schaltungen schafft man das locker, wenn es aufwendiger wird hat man aber schon Probleme, zumindest bei 2 Layern (4 Layer ist halt unglaublich teuer). In der Praxis muss man meistens die Ground Plane auch für kurze Brücken nutzen, nur was ist zulässig? Ich nehme mal an man muss halt ein Auge darauf haben das an kritischen stellen die Massezuführung möglichst "breit" ausgelegt ist und dadurch eine niederohmige Verbindung entsteht? Wenn man Brücken in eine Plane setzt wirken diese dann nicht auch als Schleife? (um so länger um so schlechter)

Gruß,

Jan

Rentner323
Stammgast

#15 erstellt: 03. Nov 2013, 20:47

Bei 22 kHz ist lambda/4 = 3406 m !!!!

killersnake
Stammgast

#16 erstellt: 03. Nov 2013, 21:10

Keksstein (Beitrag #14) schrieb:

Hi, Multilayer ist zwar teuer, spart aber eine Menge LP-Fläche und EMV Probleme.
Bei zweilagigen Platten kriegt man eine Groundplane ohne Schlitze kaum hin. Die Wirksamkeit solcher Groundplane ist ohnehin, gemessen am Multilayer, relativ gering.

Ich mache meistens 4-6 lagige Boards. Hat aber nichts mit Audio zu tun.

Keksstein
Inventar

#17 erstellt: 04. Nov 2013, 18:41

Hallo Zusammen,

Bei 22 kHz ist lambda/4 = 3406 m !!!!

Sorry aber ich verstehe den Zusammenhang gerade nicht.

Je nach Anwendung kann ich mir vorstellen mit 2 Layern nicht auszukommen, die Frage ist ob das auch schon beim Audio Bereich eine Rolle spielt wenn ein paar Leiterbahnen auf der GND Seite verlaufen. Ist 4 Lagig nicht dafür übertrieben?

Gruß,

Jan

Rentner323
Stammgast

#18 erstellt: 04. Nov 2013, 19:57

die Frage ist ob das auch schon beim Audio Bereich eine Rolle spielt wenn ein paar Leiterbahnen auf der GND Seite verlaufen

Nein!

Genau deswegen ja auch der lambda/4 vergleich (kleinste Länge für die ein Stück Draht/Kabel zur "Antenne" werden kann).

Keksstein
Inventar

#19 erstellt: 04. Nov 2013, 20:44

Genau deswegen ja auch der lambda/4 vergleich (kleinste Länge für die ein Stück Draht/Kabel zur "Antenne" werden kann).

Alles klar, verstanden.

Soundscape9255
Inventar

#20 erstellt: 07. Nov 2013, 20:00

killersnake (Beitrag #16) schrieb:

Aber für einfache analoge Filter ist mehr als zwei Lagen übertrieben, mit EMV wird man da keine Probleme bekommen. Vier Lagen, wenn man einen DSP verbaut, aber drüber braucht man nicht.