Mit dem relativ neuen Aufkommen der Arduino/Raspberry-ähnlichen Boards habe ich ein neu entdecktes Interesse an Schaltungen/Elektronik. Ich habe im Grundstudium an einigen Einführungskursen teilgenommen und um ehrlich zu sein, es war ziemlich schwierig. Davon abgesehen denke ich, dass meine Frage für einen erfahrenen Elektrotechniker ziemlich einfach ist, aber es fällt mir schwer, eine klare Antwort zu finden.
Wenn ich ein Breakout-Board kaufe, das aus einem integrierten Schaltkreis (IC) besteht, sind oft Kondensatoren, Widerstände usw. in Reihe mit den Header-Pins platziert. Welchem Zweck dienen sie? Warum stecken sie diese Komponenten nicht gleich in den IC? Der Verkäufer des Breakout-Boards leitet im Allgemeinen Datenblätter zum IC selbst weiter, aber es wird nicht viel über die zusätzlichen Kondensatoren, Widerstände usw. gesagt.
Nehmen wir hypothetisch an, ich wollte mein eigenes Breakout-Board für einen Arduino/Raspberry basierend auf einem ausgewählten IC bauen. Wie würde ich wissen, welche zusätzlichen Kondensatoren, Widerstände usw. benötigt werden, um das Breakout-Board funktionsfähig zu machen? Welche Art von Fragen muss ich mir stellen, um die Schaltung(en) zu entwerfen, die den IC mit den Header-Pins verbinden? Ich weiß, dass es vom IC und der Zielplatine abhängt, also suche ich nicht nach einer bestimmten Antwort, aber was ist, wenn ich die Zielplatine ändere? Was ist, wenn ich den IC ändere? Wie beeinflussen diese das Design?
Grundsätzlich versuche ich, die zusätzlichen Kondensatoren, Widerstände usw. auf Breakout-Boards besser zu verstehen. Ich kann selbst mehr recherchieren, aber ich möchte zumindest eine allgemeine Erklärung erhalten, die mir bei der weiteren Recherche hilft.
Oft ist das, was Sie Breakout-Board nennen, tatsächlich ein vollständiger Schaltkreis.
Die anderen Teile sind alles, was benötigt wird, damit es funktioniert - oft implementiert aus einer empfohlenen Schaltung im Datenblatt.
Ein Breakout-Board im üblichen Sinne ist nur ein Board, auf dem Sie einen kleinen oder komplizierten Chip anbringen und mit Drähten oder Steckbrettstiften überschaubare Verbindungen herstellen können.
Sie finden heraus, was auf die Platine kommt, indem Sie sich ansehen, was erforderlich ist, um eine funktionsfähige Schaltung herzustellen (Versorgungsspannung, benötigte Steuersignale, zusätzliche Komponenten usw.), die Sie dem Datenblatt entnehmen können.
Dann schauen Sie und sehen, was Ihr Mainboard (Arduino oder was auch immer) liefern kann.
Angenommen, Ihr externer Chip benötigt beispielsweise 3,3 V. Nun, es gibt 3,3 V vom Arduino. Bußgeld. Nur ist der Chip ein 24-Bit-ADC. Die 3,3 V vom Arduino sind wirklich unangenehm. Bauen Sie also entweder einen separaten Regler auf dem Breakout-Board ein oder filtern Sie die 3,3 V vom Arduino stark.
Nun bedeutet die 3,3-V-Stromversorgung für den ADC, dass er auch 3,3-V-Logikpegel verwendet. Kann der Arduino diese akzeptieren? Kann der ADC den 5-V-Logikpegel vom Arduino tolerieren? Wenn nicht, fügen Sie Ihrem Breakout eine Verschiebung der Logikebene hinzu.
Dann erhalten Sie allgemeine Gestaltungsprinzipien.
In unserem Beispiel eines ADC benötigen wir Entkopplungskondensatoren an den ADC-Leistungspins. So ziemlich jeder Chip braucht das. Entweder um zu verhindern, dass das Schaltrauschen andere Teile stört, oder um zu verhindern, dass Rauschen von anderen Teilen ein Problem für den betrachteten Chip verursacht.
Da geht also einiges rein. Es gibt keine einfache Lösung, "wie Feenstaub ein paar Widerstände und Kondensatoren darüber streuen".
Was Sie für einen ADC benötigen, unterscheidet sich von dem, was Sie für einen Relaistreiber benötigen, und was Sie für einen Sensor benötigen, unterscheidet sich von anderen Dingen.
Von Fall zu Fall, was auch immer benötigt wird, damit es funktioniert und sicher ist.
Als Antwort auf Kommentare von OP:
Viele Datenblätter enthalten Beispielschaltungen. Oft sind die Beispiele auch die Schaltungen, die verwendet wurden, als der Hersteller die tatsächliche Leistung des Chips gemessen hat - das Befolgen dieser Empfehlungen sollte die Leistung wie in den Datentabellen im Datenblatt erhalten. Gute Datenblätter erwähnen auch, warum bestimmte Teile ausgewählt wurden.
Wenn Sie also ein Breakout-Board (oder eine andere Schaltung mit einem bestimmten IC) entwerfen, sehen Sie sich zunächst das Datenblatt und die darin enthaltenen Beispiele an.
Unabhängig davon, ob das Datenblatt ein Beispiel enthält oder nicht, müssen Sie die Anschlüsse des Breakout an das anpassen, was das Basisgerät erwartet und bietet.
Da Sie bereits Ihr Basisgerät ausgewählt haben (Arduino oder Pi oder was auch immer), machen Sie sich zuerst damit vertraut - welche Signalpegel es erwartet, welche Leistung es für externe Geräte bereitstellen kann, wie es mit externen Schaltkreisen kommunizieren kann usw. Dann schauen Sie für einen IC oder eine Schaltung, die jede gewünschte Funktion bietet. Finden Sie einen, der Ihren funktionalen Anforderungen entspricht und der auch problemlos mit Ihrem Basisgerät kommunizieren kann.
Vielleicht werden Sie feststellen, dass kein IC, das die funktionalen Anforderungen erfüllt, problemlos mit Ihrem Basisgerät kommunizieren kann. Nun, Sie können entweder Schaltungen hinzufügen, um dies zu ermöglichen (z. B. Pegelverschiebung, damit ein 1,8-V-IC mit einem 5-V-Arduino sprechen kann). Oder Sie sichern und überdenken das Basisgerät - es könnte insgesamt einfacher sein, etwas zu verwenden das kann Ihr externes Gerät nativ ansprechen.
Wählen Sie also ein Ende und arbeiten Sie es von dort aus durch. Sie könnten am Ende ein paar Schleifen hin und her machen - nun, das passiert.
Sie können Programme wie LTSpice verwenden, um Schaltungen zu simulieren, bevor Sie sie bauen, aber sie enthalten nicht alle Modelle aller ICs. Ich bin kein großer Fan von ihnen. Sie alle haben irgendwo Ungenauigkeiten, und als Anfänger (oder Bastler wie ich) wissen Sie nicht unbedingt, wenn eine Schaltung ausfällt, weil sie schlecht ist oder weil Sie eine dieser seltsamen Falten in der Software getroffen haben.
Wählen Sie etwas Interessantes aus und sehen Sie, was nötig wäre, um es zu erreichen. Verwenden Sie zunächst verfügbare Module - das bringt Ihnen einige Erfolge und sichtbare Fortschritte.
Sehen Sie, wie die Module funktionieren und wie sie aufgebaut sind.
Betrachten Sie bei Ihrem nächsten Projekt etwas, das eine einfache externe Schaltung benötigt. Sehen Sie sich an, wie andere es schaffen, und stellen Sie dann eine Schaltung zusammen, von der Sie glauben, dass sie funktionieren wird. Bauen Sie es auf einem Steckbrett oder Perfboard auf, um es zu testen. Reparieren Sie es, verbessern Sie es, lassen Sie eine Leiterplatte herstellen, damit Sie es dauerhaft in Ihrem Gerät installieren können.
Sie können hier Schaltungen posten und um Hilfe bitten, wenn sie nicht funktionieren (oder nicht richtig funktionieren). Aber Sie sollten Ihre Schaltpläne (und oft das Layout oder ein Bild Ihres Steckbretts) posten, wenn Sie dies tun. Stellen Sie direkte Fragen statt offene Fragen. (Schlecht: "Kritisieren Sie diesen fünfseitigen Schaltplan." Gut: "Dieser Verstärker oszilliert. Hier ist die Schaltung. Was habe ich getan, das ihn instabil macht?")
Manchmal befinden sich Komponenten außerhalb des ICs, da sie mit dem IC-Prozess schwierig oder teuer herzustellen sind. Manchmal werden externe Komponenten verwendet, um den IC zu programmieren, um bestimmte Dinge zu tun.
Kondensatoren sind zwei leitende Platten einer bestimmten Fläche, die durch einen Isolator getrennt sind. Fläche, Grundbesitz, ist in einem IC teuer, und mehrere Schichten, eine Anzahl von Verarbeitungsschritten, sind ebenfalls teuer. Die verfügbaren Dielektrika, die mit dem Siliziumprozess kompatibel sind, haben nur ein niedriges K. All dies bedeutet, dass Werte über einigen pFs in der Regel bevorzugt off-chip implementiert werden.
Obwohl sich die Standardprozesswiderstände auf Chipspur sehr gut einstellen, haben sie eine sehr schlechte absolute Toleranz. Wenn mehr als eine Genauigkeit von ein paar Prozent benötigt wird, ist es normalerweise billiger, diesen Widerstand außerhalb des Chips zu platzieren. Die Standardwiderstände sitzen in einem Schacht und können daher nicht über die Stromschienen hinausgehen. Ein isolierter Widerstand ist möglich, nimmt aber mehr Fläche ein und ist daher teurer.
Ein Teil wird oft mit „Pin-programmierbaren“ Funktionen verkauft. Externe Komponenten werden benötigt, um Spannungen und Ströme an bestimmten Pins einzustellen, um diese zu steuern.
Alle ICs haben ein gewisses Maß an Eingangsschutz, fast immer Dioden von Pins zu Rails. Ein externer Vorwiderstand kann die Belastbarkeit dieser erheblich verbessern, indem der maximal fließende Strom begrenzt wird. Dies kann auf einem Breakout-Board nützlich sein, das von Amateuren gehandhabt/verwendet werden soll.
Ein Breakout-Board wurde entwickelt, um Schnittstellenfunktionen für einen begrenzten Zweck zu vereinfachen. Ein digitaler VLSI-IC wie ein ARM-Chip enthält viele analoge Komponenten für Taktgeber und PLLs, aber anstatt die analogen Funktionen einzuschränken, bleiben sie dem Schnittstellendesign für zusätzlichen Eingangsschutz, Ausgangsanzeigen, Eingangsfilter und Ausgangsstrom überlassen Limiter, Opto-Isolatoren oder Benutzer-Timing-Komponenten, Power-on-Reset-Zeit, Level-Shifter usw. mit Kompromissen bei der jeweils getroffenen Auswahl.
Ein IC wurde entwickelt, um einen Marktbedarf für bestimmte Funktionen mit den breitesten Mehrzweckvariationen für analoge und einige Variationen zum Beispiel für die Takteinstellung bei digitalen Funktionen zu decken. Natürlich muss die Filterung extern durchgeführt werden, um die Kosten und die Platzierung der Teile zu optimieren, da ICs auf die C-Werte beschränkt sind, die eingebaut werden können, und der Siliziumplatz und die Prozesskomplexität die IC-Kosten beeinflussen.
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