Kühle, J.: Analyse von Filtersteckverbindern

<BODY> <H1>www.duv24.net : Kühle, J.: Analyse von Filtersteckverbindern</H1> <P> <BR> [<A href="/">www.duv24.net</A>] [<A href="../index.html">back</A>] </P> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=TOP CLASS=detailBereichRedaktion>Bereich > Redaktion > <B><FONT color="#CC3300">Fachbeiträge</FONT></B></TD> <TD ALIGN=right VALIGN=bottom CLASS=detailDatum>02.03.2001</TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailFirma ID=topSpace>CONEC GmbH:</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailTitel>Kühle, J.: Analyse von Filtersteckverbindern</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailSubtitel>Erstellung eines Simulationsmodells für Filtersteckverbinder im Zeit- und Frequenzbereich </TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailContent>Erschienen in DESIGN & VERIFICATION 1+2/2001, S. 16-18<BR>(pdf-Version in toolbox unter "details")<BR><BR>Vorwort<BR><BR>Filtersteckverbinder haben sich in den letzten Jahren als die wirkungsvolle Maßnahme zur Eliminierung von elektromagnetischen Störungen an den Geräteschnittstellen erwiesen. Die Effektivität und der Einfluss auf die Signalübertragung kann nur ansatzweise abgeschätzt werden, da Quell- und Lastimpedanzen keinen Niederschlag in den Messungen nach MIL Std. 220 finden. Somit ist keine wirkungsvolle Schaltungssimulation möglich.<BR><BR>Einleitung<BR><BR>Filtersteckverbinder zur Eliminierung von elektromagnetischen Störungen auf Signalleitungen werden üblicherweise als C-Filter oder als P-Filter eingesetzt. Da der C-Filter der am weitesten verbreitete ist, beschränkt sich der vorliegende Beitrag auf diesen Typ. Messungen werden üblicherweise nach MIL 220 im Frequenzbereich durchgeführt. Der Wert für die Quell- wie auch die Lastimpedanz beträgt hierbei 50 Ω. Quell- und Lastimpedanzen in realen Systemen sind aber normalerweise nicht 50 Ω und müssen daher im Modell anpassbar sein. Das Modell soll so realitätsnah wie möglich sein und sollte daher alle Parameter der eingesetzten Filtertechnologie erfassen.<BR><BR>Hauptteil<BR><BR>Ableitung des Modells<BR>Um die Grundparameter des in Abb. 1 gezeigten Ersatzschaltbilds zu ermitteln, werden verschieden Filtertypen nach MIL 220 im Frequenzbereich gemessen. Hierzu werden verschieden Kapazitätstypen und verschiedene Technologien des Filteraufbaus herangezogen.<BR>Der Messaufbau besteht aus einem Netzwerkanalysator mit 50 Ω Ein- und Ausgangsimpedanz sowie einem Messaufbau zur Kontaktierung des Prüflings.<BR>Folgende Filtertypen wurden herangezogen:<BR><BR>·Filtersteckverbinder mit Planarfilter 180 pF, 370 pF, 830 pF und 1300 pF<BR>·Filtersteckverbinder mit Durchführungskondensatoren 370 pF und 1300 pF<BR>·Filtersteckverbinder mit Chipkondensatoren 1000 pF<BR><BR>Aus den Dämpfungskurven wurden nun charakteristische Merkmale gewonnen. Da Merkmale wie Serieninduktivität (ESL) und Serienwiderstand (ESR) bei möglichst hohen Kapazitäten besonders gut wegen der höheren Dämpfung sichtbar sind, wurde für die weitere Betrachtung jeweils der Typ mit 1300 pF bzw. mit 1000 pF herangezogen.<BR>Zur weiteren Vereinfachung wurden die Technologien Planarfilter und Durchführungskondensator gemeinsam betrachtet. Die Unterschiede im Dämpfungsverhalten liegen unterhalb der Messgenauigkeit.<BR>Abbildung 2 zeigt also das Dämpfungsverhalten eines 1300-pF-Planarfiltersteckverbinders, die eines 1000-pF-Chipkondensatorsteckverbinders sowie die simulierte Kurve eines idealen Kondensators im MIL 220 konformen Testaufbau. <BR>Dabei sind einige Merkmale auffällig:<BR><BR>Linksverschiebung der Kurve durch Erhöhung der Kapazität<BR>Durch Veränderung der Kapazität wird der Kurvenverlauf auf der Frequenzachse verschoben, und zwar mit Erhöhung des Kapazitätswerts zu kleineren Frequenzen hin. Die Charakteristik bleibt durch Veränderung des Kapazitätswerts unverändert, da es sich immer um einen Filter 1. Ordnung handelt. Der Anstieg der Dämpfung ist somit 20 dB / Dekade. <BR><BR>Wendepunkte im Kurvenverlauf<BR>Beide Kurven zeigen einen Wendepunkt im Kurvenverlauf, allerdings bei verschiedenen Frequenzwerten. Da sich die beiden Kurven hier deutlich unterscheiden, handelt es sich bei diesem Merkmal um ein Bauartbedingtes. Solche Wendepunkte im Dämpfungsverlauf werden von Serieninduktivitäten (ESL) hervorgerufen. In diesem Resonanzpunkt ist XC = XL.<BR>Somit lässt sich also der erste Parameter des Ersatzschaltbildes berechnen: ESL nimmt einen Wert von 633 pH für Filtersteckverbinder mit Chipkondensatoren ein. Für Filtersteckverbinder mit Planarfiltern beträgt der Wert für ESL 36 pH.<BR>Diese Charakteristika wurden mit anderen Kapazitätswerten verifiziert und stellten sich als Bauartbedingte heraus. ESL bei Chipkondensatoren ist baugrößenabhängig.<BR><BR>Nichtlinearitäten im Kurvenverlauf<BR>Für die Nichtlinearitäten im Kurvenverlauf sowie die im Vergleich zur Simulation geringere Ausprägung von Resonanzstellen ist der Serienwiderstand verantwortlich. Dieser Serienwiderstand wird hauptsächlich durch die Serienschaltung von Kontaktwiderständen hervorgerufen. Folgende Werte wurden durch Messungen und Evaluierung des Simulationsmodells bestimmt:<BR><BR>-0,1 Ω für Planarfiltersteckverbinder<BR>-0,7 Ω für Filtersteckverbinder mit Chipkondensatoren<BR><BR>Die so ermittelten Werte hängen natürlich stark von der Fertigungsmethode des Filterelements bzw. von der Anbindung der Chips an die Kontakte ab. Die oben beschriebenen Werte gelten für Lötverbindungen.<BR><BR>Simulation im Frequenzbereich<BR>Abbildung 3 zeigt das Simulationsergebnis im Frequenzbereich des Modells Planarfilter, Chipkondensatoren sowie die Ideallinie. Das gewählte Ersatzschaltbild hat alle Freiheitsgrade, um alle Besonderheiten verschiedenster Filtertechnologien zu implementieren. Durch Veränderung der Quell- und Lastimpedanzen kann die Filterwirkung direkt abgelesen werden, oder das Modell in eine komplette Schaltungssimulation eingebunden werden.<BR><BR>Simulation im Zeitbereich<BR>Abbildung 4 zeigt die Simulationsergebnisse im Zeitbereich der drei Modelle. Für die Simulation wurde ein Dirac-Impuls mit 1 ns Anstiegszeit gewählt. Deutlich lassen sich auch hier wieder die Einflüsse von ESL und ESR ablesen.<BR>Auffällig ist hier, dass das Simulationsergebnis des Planarfilters nur marginal von dem des idealen Kondensators abweicht.<BR><BR>Zusammenfassung<BR><BR>Das entwickelte Simulationsmodell lässt dem Anwender alle Möglichkeiten, um Filtersteckverbinder in bestehende Layoutsimulationen zu integrieren. Quell- und Lastimpedanzen sind frei wählbar, wie auch die Bauartbedingten / Herstellerabhängigen Parameter wie ESR / ESL. Auffällig in allen Messungen und Simulationen im Zeit- wie auch im Frequenzbereich ist die sehr gute Näherung des Planarfilters an die Ergebnisse des idealen Kondensators.<BR><BR><BR></TD> </TR> <TR> <TD CLASS=detailQuelle> </TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=1 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top></TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=393 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=28 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=174 HEIGHT=1 ALT=""></TD> </TR> </TABLE> <P><I>Diese Seite wurde am 25.09.2004, 13:11 Uhr aktualisiert</I></P> </BODY>