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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Rechtecksignal mit Signalflanken < 1 ns erzeugen.


Autor: Guido C. (guidoanalog)
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Hallo,

zur Überprüfung des Ein- und Ausschaltverhaltens meiner Schaltung 
(analog) benötige ich ein Rechtecksignal mit sehr steilen Flanken. Die 
Umschaltzeit von "Lo" auf "High" sollte kleiner als 1 ns (!) sein. Die 
Frequenz des Rechtecksignals spielt dabei keine allzu große Rolle. Sie 
könnte sogar im Hz-Bereich liegen. Die Spannung des Rechtecksignals 
sollte entweder zwischen -280 mV und +280 mV oder zwischen 40 mV und 600 
mV "schalten" (an 50 Ohm).

Wie kann ich einen Signalgenerator mit derart steilen Flanken am 
einfachsten realisieren? Ist es sinnvoll an einen Signalgenerator bzw. 
Quarzoszillator einen Schmitt-Trigger und anschließend eine Treiberstufe 
anzuschließen. Beides würde ich mittels OPs realisieren. Irgendwie habe 
ich den Verdacht, dass selbst wenn ich einen OP mit einer "unity gain 
bandwidth" von 2 GHz nehme und diesen als Schmitt-Trigger verschalte die 
Schaltung viel zu langsam arbeiten wird, da der OP in diesem Fall mit 
hoher Verstärkung arbeitet. Habt Ihr hierzu ggf. praktische Erfahrungen?

Mit freundlichen Grüßen
Guido

Autor: Ralph Berres (rberres)
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Es gibt Komperator ICs auf ECL Basis. Die könnten eventuell so schnell 
sein. Aber 1 nSek ist schon sehr sportlich. Eventuell mal bei 
Hittite.com schauen, ob die sowas haben. Die bauen Ics die bis mehrer 10 
GHz abdecken.

Ralph Berres

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Guido C. schrieb:
> sehr steilen Flanken. Die
>
> Umschaltzeit von "Lo" auf "High" sollte kleiner als 1 ns (!) sein. Die
>
> Frequenz des Rechtecksignals spielt dabei keine allzu große Rolle. Sie
>
> könnte sogar im Hz-Bereich liegen.

Schau mal nach den Schaltungen von Pulsgeneratoren Tektronix 28x Serie 
aus den 70ern .

Liegen so um die 0.25 ns

Autor: Ulrich (Gast)
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1 ns ist schon recht schnell.  Mit einigen schnelleren Logic ICs 
(74ABT...,  74AHC....) könnte man das gerade noch schaffen. Müßte man 
mal ein passendes Datenblatt finden wo das auch angegeben wird.
Die Anpassung auf 50 Ohm und den Pegel müßte man dann passiv durch 
Widerstände machen.

Autor: Jochen Fe. (jamesy)
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Am sinnvollsten ist ein ECL-Komparator, etwa der MAX 9601 oder AD96687 
(??), es gibt auch noch andere.
Mit dem Maxim baue ich gerade etwas auf, das mehr als 500 mV Amplitude 
an 50 Ohm bringen soll, unter 300 psec Ansiegszeit, ich setze halt noch 
ein Transistor-Differenzpärchen dahinter.
Soll es noch schneller gehen: Einfach eine Tunneldiode nehmen, da habe 
ich was in der geforderten Amplitude mit 25 psec, ein TEK S51.
Käuflich gibt es den TEK 109 bzw. 110, die machen unter 250 psec mit 
einem mechanischen Quecksilbeerelais, bei etwa 700 Hz, das geht bis über 
100 Volt an 50 Ohm, sieht sogar einigermaßen gut aus, wenn man es mit 
einem schnellen Scope anschaut.
Natürlich benötigt man zum Sehen der 1 nsec ein Scope mit mindestens 500 
MHz Bandbreite, mehr ist besser.

Autor: Wolfgang M. (womai)
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1 ns ist kein grosses Problem wenn man einen PECL-Baustein verwendet. 
Meine Empfehlung waere MC100EP16 von Onsemi - der hat Anstiegszeiten von 
ca. 150ps (10%/90%), also mehr als ausreichend fuer Deine Zwecke, und 
den gibt es in hobbyfreundlichem SOIC-Ghaeuse. Und ausserdem als 
gratis-Sample erhaeltlich.

Wenn Du den Ausgang mit einem DC-Block (Serienkondensator) versiehst, 
dann hast Du ein Ausgangssignal, das zwischen ca. +400mV und -400mV 
schaltet.

Wenn Du den Baustein mit 5V betreibst und die Ausgaenge mit ca. 150 Ohm 
Pulldown-Widerstaenden versiehst, brauchst Du nicht mal eine 
VBB-Spannungsversorgung. Onsemi hat eine Application-Note ueber 
ECL/PECL-Terminierung mit allen Details.

Es gibt auch den MC100EP16VS, der hat sogar einen analogen Steuereingang 
mit dem man die Amplitude zwischen ca. 70mV und 800mV einstellen kann.

Habe beide Teile schon oft verwendet, die funktionieren prima.

Wolfgang

Autor: Stephan (Gast)
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In ECL-Technik kein Problem. Fertiger Baustein oder diskret mit 
schnellen Transistoren aufgebaut.

Die Kunst ist das ganze nicht durch Signalführung / Messung zu 
verhunzen.

Autor: Pothead (Gast)
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Stephan schrieb:
> Die Kunst ist das ganze nicht durch Signalführung / Messung zu
> verhunzen.

So siehts aus. Da fährt man mit dem oben zitiertem SOIC nicht sonderlich 
gut.

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Pothead schrieb:
> Stephan schrieb:
>> Die Kunst ist das ganze nicht durch Signalführung / Messung zu
>> verhunzen.
>
> So siehts aus. Da fährt man mit dem oben zitiertem SOIC nicht sonderlich
> gut.

Na so schlecht ist das Gehäuse nun auch nicht.

tau = 5nH/50Ohm = 0,1ns

Selbst wenn wir die doppelte Induktivität hätten, dann wären wir immer 
noch noch voll im grünen Bereich.

Autor: Wolfgang M. (womai)
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Pothead schrieb:
> Stephan schrieb:
>> Die Kunst ist das ganze nicht durch Signalführung / Messung zu
>> verhunzen.
>
> So siehts aus. Da fährt man mit dem oben zitiertem SOIC nicht sonderlich
> gut.

Letzteres stimmt absolut nicht. Die 150ps (und besser) habe ich bei 
meinen eigenen Aufbauten mit dem MC100EP16 in SOIC gemessen (montiert 
auf vierlagige Wald-und-Wiesen-Boards aus FR-4), ist also praktisch 
vollkommen realistisch erreichbar, auch fuer Hobbyelektroniker. 1 GHz 
entspricht ca. 15cm Wellenlaenge auf dem Board (Annahme: effektives 
eps_r ca. 4), da sind selbst SOIC-Abmessungen vernachlaessigbar klein 
dagegen - und beim Loeten macht SOIC mehr Spass als TQFP oder BGA). 
Ausserdem, wenn man eine typisches 4-lagiges Board verwendet (oberstes 
Dielektrikum ca. 0.3mm dick), ist die Leiterbahnbreite fuer eine 
50-Ohm-Microstrip-Leitung ca. 0.5mm - das passt perfekt zu den 
Pinabstaenden bei SOIC. Wenn man lieber ein zweilagiges Board verwendet 
(1.6mm dick), dann ist die Leiterbahn 3mm breit, das ist eher 
unangenehm. Man kann aber einen "coplanar Waveguide with Ground" machen, 
damit kriegt man die Leiterbahbreite auf 1-1.5mm runter (muss allerdings 
genug GND-Vias auf beiden Seiten machen, die die GND-Planes oben und 
unten verbinden). Sehr kurz vor dem Bauteil muss man die Leiterbahn auf 
die Anschlussbeinchen-Breite entsprechend verjuengen. Habe ich ebenfalls 
schon gemacht mit ganz vergleichbaren Ergebnissen fuer die Anstiegszeit.

Was wirklich wichtig ist - auf jeden Fall muss die Leitung mit 
kontrollierter Impedanz gefuehrt werden, also Microstip (wenn die 
Leiterbahn auf den Oberflaeche ist) oder Stripline. Also mit solider 
Referenzflaeche (GND-Plane) unter der Leiterbahn. Freifliegende 
Verdrahtung geht da nicht. Alternativ kann man auch ein duennes 
Koax-Kabel an die Beinchen loeten. Die Bauteile (Pulldown-Widerstaende, 
DC-Block-Kondensatoren) sollten SMD sein, damit man nicht zuviel 
Parasitics einfaengt. 0402 passt pefekt zu der 0.25mm Leiterbahnbreite, 
aber selbst 0805 funktioniert bei den Anstiegszeiten noch vernuenftig.

Bei Detailfragen helfe ich gerne. Ich arbeite beruflich mit 
Digitalsignalen bis runter auf ~10ps Anstiegszeit, kann also sicher 
ausreichend Tips geben.

Wolfgang

Autor: Pothead (Gast)
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Helmut S. schrieb:
> tau = 5nH/50Ohm = 0,1ns

Für ein Pin? Ist ja nicht nur einer in den (/aus dem) im Fall der Fälle 
Strom fließt - es sind mindestens zwei. Also hast du ohnehin schonmal 
das doppelte L. Zudem ist das SOIC Package recht groß, im Extremfall ist 
der Versorgungspin am anderen Ende zum Ausgangspin. Also muss der Saft 
quer durch's Gehäuse, hoch erhoben über der Massefläche. Kann gehen, 
muss aber nicht; ich würde es nicht drauf ankommen lassen.

Autor: Wolfgang M. (womai)
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Dann hier also mal harte Daten fuer die Zweifler: Anbei mein Layout fuer 
den zweilagigen Aufbau mit dem MC100EP16VS (also mit einstellbarem 
Ausgangshub); Dateien sind im Express-PCB-Format, kann man aber leicht 
in jedem anderen Layout-Programm nachzeichnen - soooo aufwendig ist das 
Board nicht.

Das Ding steht aufgebaut in meinem Labor und liefert 
Anstiegszeiten/Abfallzeiten von 140ps. Mit den 43-Ohm-Serienwiderstanden 
hat man 50 Ohm Ausgangsimpedanz (ECL/PECL-Treiber haben ca. 7-8 Ohm 
Innenwiderstand - 7+43=50 Ohm). Der Preis fuer die Anpassung ist ein nur 
ca. halb so grosser Spannungshub am Ausgang (ca. 400mV in eine 
50-Ohm-Last). Wenn man goesseren Hub braucht und mit 7 Ohm Quellimpedanz 
leben kann, dann einfach die 43-Ohm-Widerstande durch 0-Ohm-Widerstaende 
(oder Drahtbruecken) ersetzen.

Eingang ist single-ended, ein Minicircuits-Trafo wandelt das in ein 
differentielles Eingangssignal um. Das begrenzt natuerlich die minimale 
Eingangfrequenz, sollte aber fuer die gegebene Anwendung kein Problem 
sein.

Die Signalbahnen sind als 50-Ohm-Leitungen (coplanar waveguide with 
ground) ausgefuehrt.

Bei Interesse - ich glaube, ich habe noch ein, zwei unbestueckte Boards 
in Reserve, sowie die noetigen Bauteile. Kann ich gegen Unkostenbeitrag 
zusammenbauen. Das ist billiger als Board und Bauteile selber bestellen. 
Ausserdem kann ich es im Labor auf Funktion durchmessen (vor allem 
Anstiegszeit, Signalform).

Wolfgang

Autor: Wolfgang M. (womai)
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Hier auch noch der Schaltplan als PNG (fuer alle, die ExpressPCB nicht 
installiert haben).

Der Einganstrafo ist ein Minicircuits ADTT1-1 (sehr breitbandig, hatte 
ich gerade herumliegen und passte gut fuer meine Anwendung).

Alle SMD-Bauteile sind hobbyfreundliche 0805-Packungen (was auch 
beweist, dass es wie behauptet mit so grossen Dingern funktioniert).

Das Layout koennte man sicher noch etwas sauberer machen, ich brauchte 
es seinerzeit kurzfristig fuer einen Versuch und habe das ganze in einem 
Nachmittag zusammengeschustert.

Der Aufbau war fuer 3.3V Versorgungsspannung vorgesehen. Wenn man es mit 
5V betreiben will, eventuell die 120-Ohm-Pulldowns mit 150-180 Ohm 
ersetzen (ist aber nicht superkritisch).

Wolfgang

Autor: Stephan (Gast)
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Pothead schrieb:
> So siehts aus. Da fährt man mit dem oben zitiertem SOIC nicht sonderlich
> gut.

Soo schlimm ists jetzt auch wieder nicht. Gesockeltes DIP würd ich dafür 
dann allerdings auch nicht mehr nehmen.

Kontrollierte Impedanz ist allerdings Pflicht. Mal eben den 
Oszi-Tastkopf ranhalten funktioniert nicht.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Das Ding steht aufgebaut in meinem Labor und liefert
>Anstiegszeiten/Abfallzeiten von 140ps.

Wie hast du das gemessen, wenn ich fragen darf?

Kai Klaas

Autor: Wolfgang M. (womai)
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Kai Klaas schrieb:
>>Das Ding steht aufgebaut in meinem Labor und liefert
>>Anstiegszeiten/Abfallzeiten von 140ps.
>
> Wie hast du das gemessen, wenn ich fragen darf?
>
> Kai Klaas

Mit Tektronix TDS8200-Oszilloskop mit einem 80E10 Sampling Head (50 GHz 
Bandbreite bzw. <15ps Anstiegszeit). Netterweise stehen solche Dinger an 
meinem Arbeitsplatz herum. Selberkaufen ist da ja nicht wirlich eine 
Option :-)

Man kann sich aber - zugegebenermassen mit ein bisschen Arbeit - selber 
ohne grosse technische Probleme ein einfaches Samplingscope 
zusammenbauen, wenn man ein differentielles PECL-Flip-Flop as Sampler 
verwendet. Das Treibersignal kann man dann einmal in den 
True-Dateneingang schicken und einmal - passend verzoegert - in den 
Clock-Eingang. Dann mit 100-Mhz-Signal speisen und mit zwei 
unterschiedlichen Schwellwerten (an den Complement-Dateneingang angelegt 
- das Flip-Flop arbeitet somit als Komparator + Latch) das Delay 
durchscannen und den Triggerzeitpunkt bestimmen, die Differenz der 
beiden Delay-Einstellungen liefert die Anstiegszeit. Ca. 3 GHz 
Bandbreite sind mit so einem Aufbau durchaus moeglich (habe sowas 
aehnliches selber als Reflektometer im Einsatz). Als Delay-Line eignet 
sich z.B. die MC100HC195 PECL-Delayline von Onsemi. Gesamtaufwand fuer 
so ein Geraet sind ein paar Hunderter inkl. 4-Lagen-Board - nicht 
geschenkt, aber ein winziger Bruchteil eines "echten" 3-GHz-Oszis.

Wolfgang

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Mit Tektronix TDS8200-Oszilloskop mit einem 80E10 Sampling Head (50 GHz
>Bandbreite bzw. <15ps Anstiegszeit). Netterweise stehen solche Dinger an
>meinem Arbeitsplatz herum.

Jetzt glaube ich dir...

Kai Klaas

Autor: Pothead (Gast)
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Kai Klaas schrieb:
> Jetzt glaube ich dir...

Ich auch. Wenn ich hierzu ein Scope-Snapshot sehe bin ich noch 
überzeugter, sei doch so gut Wolfgang.

Autor: Guido C. (guidoanalog)
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Hallo,

Leider kommt ich erst heut dazu auf Eure Beiträge zu reagieren. Vielen 
Dank für Eure Unterstützung.

Ich werde den Lösungsansatz über ECL weiter vorfolgen. Wolfgang hat ja 
bereits gezeigt, dass es funktioniert.

In der Application Note "Interfacing with ECLinPS" von On Semiconductor 
wird auf Seite 6 (Figure 18) gezeigt wie der MC100EP16 (3.3-5V ECL 
Differential Receiver-Driver) als Schmitt Trigger mit einer Hysteres von 
228 mV verschaltet werden kann.
http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/AND8066-D.PDF
Zusammen mit einigen Anregungen aus dem Schaltplan von Wolfgang wird 
daraus genau die Schaltung, die ich suche. Die Realisierung wird jedoch 
noch etwas auf sich warten lassen müssen, da ich derzeit wenig Zeit 
dafür habe.

Schaltzeiten im Nanosekundenbereich sind mit Bauteilen im SOIC-Gehäuse 
durchaus erreichbar. Ich habe Euch als Beweis ein Scope-Screenshot einer 
von mir realisierten Schaltung angehängt. Bei der Schaltung handelt es 
sich um eine spannungsgesteuerte Stromquelle. Sie wurde mittels OP im 
SOIC8-Gehäuse realisiert. Sie ist auf einer zweilagigen Leiterplatte aus 
FR-4 (Dicke von 1,5 mm) aufgebaut.
Zum Screenshot: Kanal 1 (gelb) zeigt das Eingangssignal. Kanal 2 (cyan) 
zeigt den Strom durch einen 10 Ohm Shunt-Widerstand am Ausgang der 
Schaltung. Das Ausgangssignal wurde mit einem Differenztastkopf (P6247, 
Tektronix, 1 GHz) gemessen. Die wesentlichen Einstellungen des 
Oszilloskops (leider nicht meins) könnt Ihr dem Screenshot entnehmen. 
Für alle die sich jetzt fragen: LeCroy-Scope mit aktivem 
Tektronix-Tastkopf geht das? Ja, allerdings benötigt man hierfür eine 
externe Spannungsversorgung für den Tastkopf.

Mit freundlichen Grüßen
Guido

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