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Forum: HF, Funk und Felder Peakdetector für ns-Pulse


Autor: SinisterSign (Gast)
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Hallo erstmal an alle in diesem tollen Forum. Hab schon die Suche bemüht 
aber nichts gefunden, darum hier mein Problem.

Grob worum es geht:
Es soll die Höhe eines Pulses FWHM 1ns bestimmt werden, damit ein 
Analogeingang sie aufnehmen kann.

Erstmal mein Hintergrund:
Ich studiere Mechatronik auf Diplom im Hauptstudium und habe mich stark 
nach E-Technik ausgerichtet. Allg. Schaltungsdesign ist für mich kein 
Problem, in HF-Problemen bin ich jedoch ein Neuling.

Worum es genau geht:
Erstmal, das ist kein Hobbyteil, sondern für ein mit dem Studium 
zusammenhängendes Projekt.
Die Pulse: Von einer Photodiode kommen die Pulse mit Wiederholfrequenz 
200kHz. Die Pulse sind 200 - 1000mV hoch. Anstieg der Pulse ist maximal 
ca. 1500V/µs. Die Pulshöhe wechselt nicht sprunghaft sondern ist in 
einem bestimmten Zustand auf einige mV stabil. Die FWHM-Breite der Pulse 
ist 1ns.
Was damit gemacht werden soll: Die Pulshöhe soll von einem A/D-Wandler 
digitalisiert werden um den jeweiligen Zustand zu bestimmen. Da die Höhe 
nicht sprunghaft wechselt, soll am besten eine konstante Spannung in 
Pulshöhe (oder in einer zur Pulshöhe relativen Höhe) erzeugt werden, die 
auf Änderungen auch träge reagieren darf.

Was ich bis jetzt gemacht habe:
HF-Naiv wie ich war, hab ich mir einfach ein paar verfügbare OpAmps 
geschnappt, die schon relativ schnell sind (AD8055) und ne 
Schottky-Diode (BAT41) und einfach den altbekannten Peakstretcher gebaut 
(siehe Bild). Das ganze einfach in THT und auf ner Lochrasterplatine.
So, was sieht man am Ausgang? Natürlich nix. Nach dem 10pF Kondensator 
hat man zwar nen gestretchten Puls von etwa 15ns aber nurnoch 20mV. Den 
Rest haben parasitäre Kapazitäten gefressen. Bis zum 2. OpAmp ist das 
dann auf ein paar mV Rauschen geglättet, der dann daraus einfach mehr mV 
Rauschen macht.

So um nicht gleich alles zu erschlagen erstmal ein paar Fragen:
Komm ich bei so kurzen Pulsen überhaupt mit THT weiter (evtl. 
Manhattenbauweise?) und ich nehm mal an statt ner Lochrasterplatine 
wenigstens ne PCB mit Massefläche, oder?
Wenn SMD, was soll ich nehmen? Reicht SOIC oder doch QFP (dann kein 
Kaffee beim Löten :D) oder muss BGA ran(bitte nicht, würde gern selbst 
löten)?
Wie schaut es aus mit meinem Schaltungdesign? Ist das Ok so?
Brauch ich ne Tunneldiode und ECL-Amps, oder reichen diese Bauteile (die 
momentanen sind für mich leicht verfügbar)?
Habt ihr einen ganz anderen Ansatz für mich oder gar ne Lösung?

Da das so bis jetzt das Signal natürlich nicht lange streched, würde ich 
das gleiche mit größerem Kond. nochmal kaskadiert dahintersetzten, aber 
jetzt soll erstmal Stufe 1 funktionieren.

Erstmal vielen Dank fürs Lesen und falls ihr nen helfenden Beitrag habt, 
nochmal ganz herzlichen Dank.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Die Pulsbreite ist 1ns ... dann kannste alles in die Tonne kloppen. Das 
sind andere Welten. Lochraster ... LOL.
Eine hinreichend schnelle Messung macht moeglicherweise ein AD8318, 
muesste man aber genauer anschauen.

Das ist eine eher aufwendiges Projekt.

Autor: Lehrmann Michael (ubimbo)
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Wieviel Erfahrung hast du mit HF-Layouts usw. - rechne mal die Frequenz 
für 1ns aus. Das ist kein Witz mehr sondern erfordert viel Erfahrung ...

Autor: SinisterSign (Gast)
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Keine Sorge. Ich erwarte jetzt hier keine vorgekaute Lösung und morgen 
bau ich das mal Kurz zam. Ist ein langwieriges Projekt und ich bin 
gerade dabei mich in die Materie HF einzuarbeiten. Da probiert man halt 
mal was dummes aus, weil Erfahrung sammelt man. Kann mir leider nicht 
aussuchen erstmal etwas einfacheres zu realisieren. Deswegen bitte ich 
einfach nur um Tipps ob ich komplett auf dem Holzweg bin.
Also ihr denkt auf jeden Fall mal PCB mit SMDs...
Was ich vergessen hab. Hab auch noch ein TTL Triggersignal, das einen 
AOM steuert und 60ns vorm Puls von high auf low geht so das man zum 
Beispiel S&H damit synchronisieren könnte.

Autor: Ralph Berres (rberres)
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schaue mal bei z.B. Analaog Device ob es Sample&Hold Schaltungen gibt , 
die so schnell sind. Auf jedenfalls befindest du dich GHz Bereich. Wenn 
man die Flanken auch noch betrachtet, dicke im Mikrowellenbereich. Da 
geht nur noch mit  50 Ohm Mikrostriptechnik im Aufbau was. Da spielt 
auch schon das Platinenmaterial eine gewichtige Rolle. Auf Lochraster 
geht da garnichts.

Und die mit OP und Diode aufgebaute Präzisions Spitzenwertgleichrichter 
gehen da schon lange nicht mehr. Als Diode würde da eher eine BAT14 
gehen.

Ralph Berres

Autor: SinisterSign (Gast)
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Von Hittite gibts es S&H und T&H bis 4GHz, die kosten allerdings auch 
275 Euro. Müsste aber auch billiger zu realisieren sein. Ich werd mich 
jetzt erstmal in HF-Layout allg. einarbeiten. Es muss ja auch nicht 
jeder einzelne Puls gemssen werden sondern, da das Signal langsam ändert 
tut es auch eine Messung über einige Pulse.

Autor: Wolfgang M. (womai)
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Also bei den Anstiegszeiten kommst Du mit Lochrasterplatinen nicht weit. 
Da musst Du schon 50-Ohm-Mikrostrips (Leiterbahn ueber einer massiven 
Referenzflaeche) verwenden. Das heisst dann zumindest zweilagige 
Platinen. (vierlagig ist besser weil dann die notwendigen 
Leiterbahnbreiten vernuenftiger = schmaeler werden).

SOIC-Packung reicht aber durchaus noch aus. Siehe z.B. die Onsemi 
MC100EP-Serie, die gibt's in SOIC und die schafft ca. 150ps 
Anstiegszeit.

Wie schnell kann sich denn die Pulshoehe aendern? Wenn Du zumindest 
immer einige hundert Pulse mit ungefaehr gleicher Pulshoehe hast (d.h. 
fuer Deinen Aufbau die Pulshohe aendert sich innerhalb einiger 10 msec 
nicht wesentlich), koennte man etwas mit einem Servo-Loop machen - das 
braucht dann bloss ein einigermassen schnelles PECL-D-Flipflop mit 
differentiellem Eingang. Das ist billig bzw. gratis (als Sample zu 
bekommen). So ein Servoloop ist im wesentlichen eine Rueckkopplung vom 
FF-Ausgang zum komplementaeren Eingang, wobei die Rueckkopplung ueber 
einen (langsamen) Integrator erfolgt. Der Ausgang pendelt sich dann 
statisch auf den Level am Eingang zum Samplezeitpuinkt ein, man muss 
dann bloss noch die statische Ausgangsspannung messen. Das setzt 
allerdings voraus, dass Du einigermassen genau in der Pulsmitte 
samplest, d.h. Du brauchst einen Trigger mit Jitter deutlich unter der 
Pulsbreite, un zentriert mitten im Puls (minus FF-Prop-Delay). 
Noetigenfalls kann man den Triggerzeitpunkt ja mit einer schnellen 
Delayline einstellbar machen.

Eine andere Moeglichkeit waere sog. "coherent undersampling" wo Du einen 
ausreichend schnellen A/D-Wandler mit einer leicht von 200kHz 
abweichenden Samplefrequenz betreibst. Es muss auch gar nicht (200kHz + 
delta) sein, sondern kann auch ein Brtuchteil von 200kHz (+ Delta) sein. 
Z.B. 2.0001 kHz. Die anfallenden Daten stellen dann die Wellenform in 
"Zeitlupe" dar, und mit z.B. einem Mikrocontroller kann man leicht das 
Signalmaximum bestimmen (oder noch einfacher mit einem simplen, 
langsamen Peakdetektor, denn das Ausgangssignal aendert sich nur 
langsam). Das laesst sich auch durchaus mit obiger Servomethode 
verbinden, sodass Du wiederum keinen teuren superschnellen A/D-Wandler 
kaufen must, sondern bloss ein billiges Flipflop.

Je mehr Du uns ueber Deinen Aufbau verraetst, desto besser kann man 
helfen.

Wolfgang

Autor: Alfons (Gast)
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Hi. Ich habe ein ähnliches Problem. 900ps Pulse. Jedoch ist mir die 
absolute Pulshöhe vollkomme negal, nur eine Änderung interessiert mich. 
Gibt es hierfür einen einfacheren Lösungsansatz?

Autor: Wolfgang M. (womai)
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Haengt davon ab, wie haeufig die Pulse sind. Bei SinisterSign (mit dem 
ich gerade privat an einem passenden Schaltungsdesign dazu arbeite) sind 
die Pulse sehr selten (200 kHz Pulsrate aber blose ~1ns Pulsbreite), da 
muss man schon wirklich den Puls samplen. Ist aber am Ende auch nicht so 
wirklich komplex, solange es keine Einzelimpulse sind und sich die 
Pulshoehe nicht zu schnell aendert.

Wenn die Pulse aber haeufiger sind (d.g. Pulsperiode ist nicht 
unheimlich viel laenger als die Pulsbreite), koennte man das eventuell 
einfach in einen R-C-Tiefpass schicken und die Aenderung des 
geglaetteten Ausgangssignals als Mass fuer die Pulshoehe nehmen 
(zugegebenermassen misst das eher die Flaeche unter dem Puls).

Wolfgang

Autor: Kurt (Gast)
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Wolfgang M. schrieb:
> Wenn die Pulse aber haeufiger sind (d.g. Pulsperiode ist nicht
> unheimlich viel laenger als die Pulsbreite), koennte man das eventuell
> einfach in einen R-C-Tiefpass schicken und die Aenderung des
> geglaetteten Ausgangssignals als Mass fuer die Pulshoehe nehmen
> (zugegebenermassen misst das eher die Flaeche unter dem Puls).

So wird das üblicherweise gemacht, wenn die Messtechnik zu langsam ist. 
Die Totzeit sollte man bei dieser Methode aber in Betracht ziehen.

Autor: faustian (Gast)
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"Da musst Du schon 50-Ohm-Mikrostrips (Leiterbahn ueber einer massiven
Referenzflaeche) verwenden"

Oder duennes Koaxialkabel richtig benutzen.

Autor: SinisterSign (Gast)
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Hi.

Nachdem mir Wolfgang hervorragend geholfen hat und ich so eine wunderbar 
funktionierende Schaltung aufgebaut habe (Vielen Dank nocheinmal), 
möchte mein Betreuer die Eier legende Wollmilchsau.
Deswegen verfolgte ich Zeitgleich einen 2. Ansatz einer einfacheren 
Schaltung (siehe Bild)

Nochmal zur erinnerung absolute Peakhöhe ist egal, nur ein Signal das 
sich propotional ändert.

Die Schaltung funktioniert auf PCB wunderbar bis 10ns Pulsbreite (dann 
noch Signalhöhe von ein paar mV aber egal, da Signal > Rauschen kann das 
verstärkt werden ;) )

Jemand ne Idee wie ich die Bandbreite noch  hindrücken kann? den ersten 
OP evtl als Verstärker statt als Folger?

Grüße
Sinister

Autor: SinisterSign (Gast)
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Kleiner Fehler im Schaltplan, der 2. OPV ist ein AD8610 und kein AD8055, 
hab ich in Eagle falsch ausgewählt.

Und btw. wer sich dran stört: Meine Ops haben natürlich beide je 4 
Abblockkondensatoren und die Versorgung ist mit nem LC Tiefpass und 
nochmal 6 Kondensatoren versehen.

Autor: SinisterSign (Gast)
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Noch ein kleiner Nachtrag.
Hängt euch bitte nicht am 2pF Kondensator auf, der ist eh nur Alibi :P 
kleinermachen verändert da eh nix mehr an der Kapazität die auch schon 
durch die Dioden und Leiterbahnen vorhanden ist.

Autor: Arno Nyhm (Gast)
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Wenn das Signal-Rausch-Verhältnis dabei noch ausreichend groß bleibt...
Bei 10ns kommst Du sicher an die Grenzen deines AD8055 (-3dB Bandbreite 
bei von 300MHz bei einer Verstärkung von 1 - laut Datenblatt) - Wenn die 
Schaltung Dir ausreichende Resultate bei 10ns-Pulsbreite liefert, 
ersetz' den AD8055 mal mit einem 'schnelleren' Operationsverstärker.

Versuch es mal mit z.B. einem THS3201:
http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/ths3201.html
Der ist bei Farnell zu bekommen - oder eben als Sample von TI (die sind 
ja sehr großzügig, was das angeht...)
In der Schaltung ist dann nur zu beachten, dass es sich um einen 
Current-Feedback Operationsverstärker handelt - siehe Appnotes des 
Datenblattes.
Voltage-Feedback Opamps dünnen sich prinzipbedingt (in den meisten 
Konfigurationen weniger externe Bauteile) mit höheren 
Frequenzen/Slewrates aus.

Der Kondensator ist in deiner Schaltung natürlich ein kritisches 
Bauteil, auch seine parasitären Werte sind da recht wichtig - was 
verwendest Du denn für einen?

Autor: Paul P. (Gast)
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> Der Kondensator ist in deiner Schaltung natürlich ein kritisches
> Bauteil, auch seine parasitären Werte sind da recht wichtig - was
> verwendest Du denn für einen?

Naja so nen ganz normalen 0805 MLCC 63V Chip Kondensator.

Autor: Paul P. (Gast)
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Hi.
Hab unter falschem Nic geposted, war der von meinem Mitbewohner ( 
Ingenieurs WG juchee :P)

Der THS3201 schaut gut aus, und ist sogar Pin Kompatibel. Ein schneller 
VFA währe mir aber lieber.

Da ich noch nix mit CFAs gemacht habe mal ein paar hoffentlich nicht zu 
doofe Fragen:
Denkst du die Schaltung würde funktionieren wenn ich:

Version1: einfach 2 Feedback Widerstände in der Rückkopplung Einbau, 
damit ich wieder Gain 1 hab. (Also laut Datenblatt 768Ohm) Oder muss ich 
auch am Ausgang auch was beachten, da er niederohmig ist?
Ist die Diode im Feedback bzw die Rückkopplung vom 2. Amp kritisch?


oder Version 2: Soll ich das Feedback des 1. Amps lieber einzeln machen?


oder Version 3: Das Feedback vom 2. dann gleich weglassen (zusammen mit 
einer Diode), das als bias der Dioden dient?


Kann ich überhaupt CFA und VFA so einfach zusammen verwenden?

Hab mal ein Bild gemalt schnell in Paint was ich meine.

Autor: SinisterSign (Gast)
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Bump...

Autor: Henrik V. (henrik_v)
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Bin gerade über Fig. 7 in
http://cds.linear.com/docs/LT%20Magazine/Rail-To-R...
gestolpert. Bei 200kHz rep. Rate könnte sich das hinschmieren ..
Ist vielleicht ja interessant ....
Statt OP einen Comparator zu benutzen :)
Viel Erfolg
Henrik

Autor: marode (Gast)
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Hi SinisterSign und Womai,
könntet ihr bitte den Ansatz der privat entwickelten Schaltung noch kurz 
hier skizzieren? Würde mich sehr interessieren.
Vielen Dank.

Autor: Wolfgang M. (womai)
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Wir haben's so gemacht, wie ich es in meinem ersten Beitrag 
vorgeschlagen habe. Also schnelles PECL-D-Flipflop (MC100EP-Serie in 
SOIC-Gehaeuse) als Sampler, mit Rückkopplung auf den Komplement-Eingang 
üeber simplen Op-Amp-Integrator. Eine digitale Onsemi-Delayline zur 
Einstellung des Sample-Zeitpunktes damit das FF wirklich in der Mitte 
(Peak) des Pulses samplet. Hat auf Anhieb funktioniert. Das 
Integrator-Ausgangssignal (= Rückkopplungssignal) stellt sich dann 
statisch auf den Signalpegel zum Samplezeitpunkt ein und kann einfach 
z.B. mit dem ADC-Eingang des Mikrokontrollers digitalisiert werden, oder 
als analoges Regelsignal für die Pulshöhe verwendet werden.

Was waere denn Deine Anwendung, oder ist es bloss allgemeines Interesse?

Autor: marode (Gast)
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Vielen Dank.
Mein Interesse ist allgemein. Ich war wie so oft auf der Suche nach 
etwas, bin dann abgedriftet und über diesen Thread gestolpert. Die 
Aufgabe klang nicht trivial und mir gefiel die angedeutete Lösung sehr 
gut.
Ist es so ähnlich wie im angehängten Bildchen?
Ich habe zuvor noch nicht die Verwendung eines Flipflops als Servo Loop 
Element gesehen.
Gibt es Application Notes oder so wo ich noch mehr darüber nachlesen 
kann?

Autor: Wolfgang M. (womai)
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Ja, so schaut das im Prinzip aus. CLK und D werden beide aus dem Puls 
erzeugt, wobei CLK verzoegert wird, sodass der Samplezeitpunkt im 
Pulsmaximum liegt. Das MC100EP... Flipflop hat bereits differentielle 
Ein- und Ausgaenge, somit kann man sich die von Dir eingezeichneten 
Differenzverstaerker sparen.

Sigma-Delta-ADCs arbeiten ebenfalls nach diesem Prinzip, ist also weit 
verbreitet.

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