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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Pegelschalter mit pnp und npn - Problem


Autor: Andreas B. (loopy83)
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Hallo,

ich habe die im Anhang gezeigte Schaltung verwendet, um ein 0V/3,3V 
Signal in ein invertiertes 0,5V/-4,5V Signal zu übersetzen.
0V => 0,5V
3,3V => -4,5V

Das Eingangssignal hat 40MHz (50% on/off) und hat im Signalverlauf 
kürzere (ca. 4us) und längere Pausen (90us).

Nun sollte das Signal in den Pausen eine bestimmte Polarität haben, 
nämlich wenn der Eingangspegel 0V ist, sollte das Ausgangssignal 0,5V 
haben.

Nun ergibt sich das im Oszi-bild gezeigte Verhalten.
Der Eingangspegel (grün) ist dauerhaft 0V, der Ausgangspegel nimmt auch 
zunächst den 0,5V Pegel an, fällt dann aber mit einer Entladekurve gegen 
-4,5V ab. Dies geschieht auch in den kurzen Pausen, wie weiter rechts zu 
sehen ist.

Die Spannungen 0,5V und -4,5V werden, wie im Anhang zu sehen, erzeugt. 
Nicht die eleganteste Variante, aber so habe ich durch den 
Widerstandsteiler die Möglichkeit, die Pegel schnell anzupassen und ich 
habe keinen Schaltregler bzw. Linearregler, der viel heizt.

Am Ausgang der Pegelanpassung hängt ein CCD Chip, dessen horizontale 
Takte diese Pegelanpassung bedient.

Wie kann ich die Schaltungen modifizieren, dass ich konstant 0,5V am 
Ausgang habe?
Ich könnte ja die Kondensatoren C5 und C7 vergrößern, denn diese Größe 
begrenzt ja die Zeit, in der Q1 leitend ist. Aber dann habe ich wieder 
größere Umladungsverluste und bis dann evtl. nicht mehr schnell genug 
für die 25ns.

Vielen Dank!
Andi

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Andreas B. schrieb:
> Das Eingangssignal hat 40MHz (50% on/off) und hat im Signalverlauf
> kürzere (ca. 4us) und längere Pausen (90us).

Da der Signalmittelwert durch die Pasuen verschoben wird, ist eine
AC-Kopplung nicht sinnvoll, auch nicht mit größeren Kondensatoren.

Ich würde einen schnellen Opamp nehmen, ähnlich wie im Anhang gezeigt.
Wenn das Signal nicht invertiert werden muss, kann man die Schaltung so
aufbauen, dass sie einen großen EIngangswiderstand hat.

Autor: Andreas B. (loopy83)
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Hallo und vielen Dank!

Laut LTSpice Simulation müsste die Schaltung hinhauen.
Auch mit ohmscher Last am Ausgang bleibt der Pegel bei Eingang 0V auf 
0,5V stehen.
Nur in der Realität sieht es eben anders aus.

Der Sensor hat auch eine kapazitive Last von 50pF.
Die aber an der Simulation nichts ändert. Der Ausgang bleibt in der 
Pause bei 0,5V.

Auch mit einer zusätzlichen 100 Ohm Last geht die Spannung nur auf 0V 
zurück, aber nie wie im Oszibild zu sehen auf -4,5V.

So eine OPV Schaltung wäre eine Alternative, aber ich habe die 
Pegelanpassung mit AC kopplung aus dem Referenzdesign des Sensors 
übernommen und war davon ausgegangen, dass das dunktioniert. Denn auch 
da hat man ja die gleichen Pausen.
Eine komplett neue Schaltung birgt dann wieder die Gefahr, dass andere 
Effekte eine Rolle spielen, die ich nicht bedacht habe.

Vielen Dank!
Andi

PS: Belaste die OPV Schaltung mal kapazitiv mit 50pF. Dann sieht das 
ganze leider nicht mehr so schön aus :(

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Bei der Transistorschaltung sperren während der Pausen (nachdem die
Eingangskondensatoren umgeladen sind) beide Transistoren, d.h. der
Ausgangspegel wird dann nicht durch das Eingangssignal, sondern nur
durch die Last bestimmt. Geht bei ohmscher der Lastwiderstand nach GND,
wird der Ausgangspegel 0, geht der Lastwiderstand nach -4,5V, wird der
Ausgangspegel ebenfalls -4,5V. Fehlt die Last, ist der Ausgangspegel
undefiniert und wird, abhängig von den Restströmen der Transistoren,
irgendwo zwischen +0,5V und -4,5V liegen. Bei einer rein kapazitiven
Last, wird diese den Ausgangspegel für eine Weile auf dem letzten Wert
halten. Möglicherweise ist genau das der Effekt, den die Entwickler
dieser Schaltung nutzen.

Wie war die Schaltung belastet, als du die Oszimessung im ersten Post
machtest?

> PS: Belaste die OPV Schaltung mal kapazitiv mit 50pF. Dann sieht das
> ganze leider nicht mehr so schön aus :(

Ja, mit hohen kapazitiven Lasten kommt der Opamp nicht zurecht, u.a.
deswegen, weil er die geforderten Umladeströme gar nicht liefern kann.
Man kann aber zumindest das Überschwingen etwas verringern, indem man
den Widerstand R3 zu Abtrennung der kapazitiven Last vom Opamp-Ausgang
hinzufügt und die Kompensationskapazität C1 anpasst. Mit einem Opamp,
der mehr als die 30mA des LT1227 kann, wäre auch die Flankensteilheit
des Signals besser.

Autor: Andreas B. (loopy83)
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Yalu X. schrieb:
> Wie war die Schaltung belastet, als du die Oszimessung im ersten Post
> machtest?

Danke für die aufklärenden Worte.
Die Schaltung wurde für das Oszi Bild mit dem CCD Chip betrieben, es 
hing also die 50pF Last daran.
Der Pegel bleibt aber in der Simulation auch auf 0,5V, wenn die Last als 
Bezug -4,5V hat.

Nun hat aber scheinbar der Entwickler dieser Schaltung auch genau an 
meinen CCD Sensor gedacht, als er sich die Schaltung ausgedacht hat. Am 
Evaluation Board nachmessen geht leider nicht mehr.

In der Simulation meiner Schaltung bleibt der Pegel ja auf 0,5V, auch in 
den Pausen... also muss ich wohl noch etwas falsch gemacht haben. Die 
Frage ist jetzt nur, wo?!
Oder es liegt irgendwo noch eine ohmsche Last gegen -4,5V verborgen.

Wer dazu noch weiterführende Hinweise hat, wäre ich sehr dankbar für 
einen Kommentar!

Vielen Dank!

Autor: Andreas B. (loopy83)
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Scheinbar scheint laut Simulation noch ein ohmscher Lastwiderstand um 
die 100k gegen -4,5V zu sein.
Die Simulation und das OsziBild decken sich fast 1zu1.

Nun muss ich suchen, wo diese Last herkommt.
Aber 100k sind gar nicht mal so viel.
Wenn die im Sensor irgendwo sind, habe ich nen Zappen...

Danke!
Andi

Autor: MaWin (Gast)
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Warum so eine katastrophal aufwändige Schaltung ?
Gab's nichts anderes in deiner Wühlkiste ?

Warum nicht:

   +--+---- +0.5V
   |  |
   +-|+\ LT1716 (thin SOT23, also zu gross kann's auch nict sein)
     |  >-- out
in --|-/
      |
    -.5V

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Die Oszikurve hat an der Stelle, wo sie die -4,5V erreicht, einen Knick.
Das deutet darauf hin, dass der ohmsche Lastwiderstand seinen Bezug bei
einer Spannung deutlich unterhalb von -4,5V hat, so größenordnungsmäßig
bei -10V. Mit welcher Spannung (bzw. welchen Spannungen) wird der CCD-
Chip versorgt?

Du könntest auch einfach einen zusätzlichen Lastwiderstand, der deutlich

Du könntest auch einfach einen zusätzlichen Lastwiderstand, der deutlich
kleiner als die 100kΩ ist (z.B. 1kΩ), gegen +0,5V schalten. Dieser
überspielt dann den 100kΩ-Widerstand und sorgt für einen definierten
Ausgangspegel in den Pausen.

Aber schau dir die Schaltung von MaWin an, mit einem einfachen
Komparator geht's prinzipiell auch. Du solltest nur nicht gerade den
schnarchlahmen LT1716 nehmen :)

Edit: Er sollte aber trotzdem Over-the-Top können, da wird's mit der
Auswahl schwierig. Oder man muss die Eingangsspannung auf 0,5V begrenzen
und die Schaltschwelle auf 0,25V legen. Das ist aber auch nicht so
einfach. Nee, dann gefällt mir die Opamp-Lösung doch besser.

Autor: MaWin (Gast)
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> Du solltest nur nicht gerade den schnarchlahmen LT1716 nehmen :)

Uups, dabei hatte ich per Google nach
"fast over the top comparator"
gesucht...

Autor: Andreas B. (loopy83)
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MaWin schrieb:
> Warum so eine katastrophal aufwändige Schaltung ?

Wie schon gesagt habe ich die Schaltung von dem Eval-board übernommen. 
Da ich mit CCDs noch nicht viel zu tun hatte, war ich mir weder sicher, 
welcher Strom ausreicht, noch ob so eine OPV Schaltung vielleicht auch 
Nachteile hat, die man auf den ersten Blick nicht sieht, aber sich dann 
im Bild deutliche bermerkbar machen.

Yalu X. schrieb:
> Die Oszikurve hat an der Stelle, wo sie die -4,5V erreicht, einen Knick.
Die Knicke sind Einstreuungen von den vertikalen Takten. Ist also kein 
Übersprechen auf den Leitungen, sondern wird intern beeinflusst, da ja 
vertikale und horizontale Takte unmittelbar ineinander greifen.

Ich werde den Vorschlag mit dem "Pull-up" gegen 0,5V mal 
durchsimulieren, vielleicht bringt es ja etwas... hoffentlich nicht noch 
mehr Stromverbrauch :)

Vielen Dank!

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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MaWin schrieb:
>> Du solltest nur nicht gerade den schnarchlahmen LT1716 nehmen :)
>
> Uups, dabei hatte ich per Google nach "fast over the top comparator"
> gesucht...

So ist eben der Hersteller-Slang:

  fast      = steckt praktisch fest
  ultrafast = man kommt mit dem Auge noch hinterher
  low-noise = man versteht bei dem Krach sein eigenes Wort nicht mehr
  ultra-low-noise = man kann das Nutzsignal noch erahnen

Für "schnell" und "rauscharm" bleiben in der Sprache der Hersteller
keine Wörter mehr übrig, deswegen werden stattdessen Zahlenwerte
verwendet. Man erkennt also die wirklich guten Bauteile daran, dass
bereits im Datenblatttitel Zahlen auftauchen. Beispiel:

  "LTC6409 - 10GHz GBW, 1.1nV/√Hz Differential Amplifier/ADC Driver"
  "LT1715 - 4ns, 150MHz Dual Comparator with Independent Input/Output
   Supplies"

Autor: oszi40 (Gast)
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Es reicht aber nicht den teuersten oder schnellsten zu kaufen. Man 
braucht auch noch den optimalen Aufbau dazu (wie hier schon öfter 
diskutiert wurde).

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Andreas B. schrieb:
> Yalu X. schrieb:
>> Die Oszikurve hat an der Stelle, wo sie die -4,5V erreicht, einen Knick.
> Die Knicke sind Einstreuungen von den vertikalen Takten.

Ich meinte diesen hier (s. Anhang). Die exp-ähnliche Kurve hat ihre
Asymptote nicht bei -4,5V, sondern deutlich weiter unten.

Autor: Andreas B. (loopy83)
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Hallo,

Yalu X. schrieb:
> Du könntest auch einfach einen zusätzlichen Lastwiderstand, der deutlich
> kleiner als die 100kΩ ist (z.B. 1kΩ), gegen +0,5V schalten. Dieser
> überspielt dann den 100kΩ-Widerstand und sorgt für einen definierten
> Ausgangspegel in den Pausen.

Könnte ich nicht auch den Transistor, der gegen 0,5V schaltet irgendwie 
beschalten, dass er, in dem Moment wo beide Transistoren einen 
undefinierten Zustand einnehmen, dauerhaft gegen 0,5V leitend wird und 
dadurch den Pegel oben hält?

Meinetwegen mit eienm 10k Widerstand von der Basis von Q1 zu -4,5V?

DANKE!

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