Понимание разводки контактов AVCC на ArduinoLeonardo (фильтр нижних частот?)

У Arduino Leonardo есть интересное отличие от предыдущих плат: вывод AVCC ATMEGA32U4 подключен к + 5В через ферритовые шарики MH2029-300Y и к GND через конденсатор 1 мкФ.

В ArduinoUno и ArduinoMega2560 этот вывод был просто подключен к VCC. Согласно данным Atmel, этот вывод должен быть подключен к фильтру нижних частот, когда используется преобразованный АЦП.

Схема Arduino Leonardo

Это действительно фильтр низких частот? Если да, то как это работает? Как бы вы назвали этот тип схемы? Как вы моделируете это?

Индуктор плюс конденсатор образуют частотно-зависимый делитель напряжения.

$\dfrac{V_{OUT}}{V_{IN}} = \dfrac{Z_C}{Z_C + Z_L}$

Для постоянного тока и низких частот сопротивление L1 ( ) низкое, а сопротивление C1 ( ) высокое, поэтому входное напряжение не будет сильно ослаблено. На высоких частотах все наоборот: высокий, а низкий. Затухание велико, и чем выше частота, тем выше затухание. Так что это действительно фильтр нижних частот.$Z_L$$Z_C$$Z_L$$Z_C$

Однако индуктор, который они использовали, не очень хороший. Это высокочастотный подавитель электромагнитных помех, рассчитанный на частоты в десятки МГц. (Используемый тип имеет полное сопротивление 30 Ом при 100 МГц.)

Кривая импеданса показывает наклон 0,5 Ом / МГц, поэтому при 100 Гц реактивная часть индуктивности незначительна.

Что действительно необходимо, так это подавление низкочастотного шума, например, пульсации 100 Гц от источника питания. Тогда этот индуктор довольно бесполезен, и это похоже на наличие конденсатора.

Для низкочастотных катушек индуктивности может быть непрактично большим, тогда резистор вместо катушки индуктивности был бы лучшим выбором. Лист данных говорит, что AVCC не должен быть ниже, чем VCC - 0,3 В, но я не смог найти, сколько тока использует AVCC. Это не будет много, скажем, максимум 10 мкА. Частота среза RC-фильтра

$f_C = \dfrac{1}{2 \pi RC}$

Поэтому, если мы используем резистор 15,9 кОм с конденсатором 1 мкФ, у нас будет частота отсечки 10 Гц, и частотная характеристика будет выглядеть следующим образом:

От 10 мкА до 15,9 кОм падение составляет 159 мВ, так что это в пределах спецификации. Пульсация 100 Гц будет ослаблена на 20 дБ, то есть 1:10, что не так уж и много, но VCC уже следовало бы должным образом отсоединить, поэтому 20 дБ - это просто дополнительные. Шум выше 1 кГц будет снижен как минимум на 40 дБ, это в 1: 100 раз.

Некоторые действительно хорошие ответы. Я считаю, что целью LC-фильтра не является фильтрация пульсации питания. Это лучше всего сделать с помощью жестких (с низким ESR) колпачков на линиях электропередач / плоскостях и выбора правильной части регулятора для начала. Кроме того, если вы подаете питание на Arduino через USB-порт, низкочастотный пульсационный шум будет незначительным. Недорогой настенный выключатель - это переключатель в диапазоне от десятков до сотен кГц, который будет работать с электрическим шумом, но регулятор напряжения и емкость на В этом должны помочь цифровые силовые шины.

Что делает LC L / P фильтр, так это устраняет острые края цифровых сигналов, которые попадают на цифровые линии электропередачи и, если они напрямую подключены к контактам AVCC, они попадут в схему аналого-цифрового преобразования.

Причина, по которой плата не загружается с большим резистором (в цепи RC), заключается в том, что PLL в части ATMega является аналоговой схемой и использует те же контакты AVCC, что и аналого-цифровые преобразователи, и не получает достаточного питания , Может быть, он на самом деле не использует оба контакта в детали одинаково, но в спецификации нет различий (оба называются AVCC). С точки зрения компоновки, очень сложно иметь контакты 24 и 44, которые идут в AVCC, поскольку они находятся на противоположных сторонах чипа, и кто будет пытаться посвятить им целый план питания? Вы заканчиваете тем, что направили сигнал через часть, вероятно с переходными отверстиями на обеих сторонах, и т.д. Лист данных едва упоминает эту уродливую реальность, почти как дополнительная булавка была второй идеей ATMEL.

В любом случае, эти зашумленные сигналы исходят от самого микропроцессора, когда он переключается внутри, и они не повреждают цифровую логику, но попытка получить 10-битную аналоговую точность требует немного больше усилий со стороны источника питания. Эти границы цифрового шума могут быть в десятках нс таймфреймов (100 МГц), поэтому фильтры с этой характеристикой будут работать довольно хорошо. Если вы работаете с числами, используя AVCC = 5 В и 10-битный A / D, каждый LSB составляет около 5 мВ. Похоже, что вам нужно иметь менее половины этого, как грубое правило, чтобы иметь "низкий" шум.

Спецификация MH2029-300Y показывает 20 Ом при 100 МГц. Если бы парень, который пробовал фильтр RC, установил частоту колена в 1 МГц, он, вероятно, работал бы лучше, потому что он мог бы выбрать резистор намного меньшего размера. Что-то вроде резистора 22 Ом (для соответствия импеданса индуктивности при 100 МГц) и 0,01 мкФ крышки могло бы иметь достаточно небольшое падение напряжения постоянного тока из-за нагрузки на входе (45 мкА х 22 Ом = 1 мВ или около того из его чисел). Он будет ниже на 40 дБ по частоте интереса.

Я бы не поспорил, что на макете есть проход, но если у деталей есть какой-то отпечаток, я мог бы дать ему шанс (выбрать след 0805 для обоих?), Но с индуктором, составляющим $ 0,10 от Mouser, почему бы просто не придерживаться его? ?

Да, это фильтр низких частот. Ферритовый шарик является индуктивным компонентом с потерями, который действует как частотно-зависимый резистор, где L доминирует на низких частотах, а R доминирует на высоких частотах. Конденсатор шунтирует более высокие частоты на землю. В сочетании они образуют LC-фильтр с низким Q, который не испытывает резкого резонансного пика (пока обрезание находится в резистивной области валика), что может вызвать проблемы в «стандартном» LC-фильтре.
Однако, как отмечает Стивен, эта часть не особенно подходит для этого приложения, так как это высокочастотная часть, а АЦП - относительно низкая частота. Это было бы полезно для чего-то, что требует фильтрации на гораздо более высоких частотах, таких как дизайн FPGA, высокочастотный АЦП и т. Д.