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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik (unkonventioneller) Pegelwandler bei 10MHz


Autor: Philipp (Gast)
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Hallo

Ich habe in meiner Schaltung 1.8V und 3.3V CMOS Bauteile, die 10Mbps 
Signale austauschen müssen. Nun wollte ich von euch wissen, was ihr von 
den beiden Schaltungen haltet.

1. 3.3->1.8: Können die Widerstände noch grösser sein? Habe ein tau= 
(R3||R4)*Cgs=3.3ns (wenn man für Cgs 5pF annimmt). Somit ist 3tau = 
10ns. Ist das ok, oder muss ich noch parasitäre Sachen beachten? Wäre 
dankbar wenn mir das jemand absegnen kann!

2. 1.8->3.3: Dachte man kann das mit einem geeigneten HF-Trafo machen. 
Warum macht das niemand? Wo liegt der Haken? Liegt es daran, dass das L 
und das Cgs einen Schwingkeris bilden? Man könnte doch die 
Resonanzfrequenz so wählen, dass sie nicht stört? Und falls es geht, wie 
gross darf ich die Widerstände wählen um möglichst wenig Leistung zu 
verbraten? Btw. die zu übertragen Signale sind wieder 10Mbps.

3. Was haltet ihr von dem HF-Trafo: 
http://minicircuits.com/pdfs/ADT1-1.pdf

Ich bin euch für jede konstruktive Antwort dankbar

gruss
Philipp

Autor: Dennis (Gast)
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Die Trafo-Lösung setzt Gleichspannungsfreiheit in jeder 
Betriebssituation vorraus.

Autor: Philipp (Gast)
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Warum das? Und wie tiefe Frequenzen dürfen vorkommen?
Falls ich einen Moment lang (z.b. 5sec) keine Signale übertrage fliesst 
doch einfach ein (durch den Widerstand begrenzten) Strom...

danke und gruss
Philipp

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Gib uns mal genauere Details über das Eingangssignal, was über den Trafo 
soll. Prinzipiell sollte der von dir auserwählte Übertrager schon ganz 
gut passen.

Welche Impedanzverhältnisse liefern der Treiber und Empfänger denn?

Absegnen kann ich es nicht, sorry :-)


Gruß -
Abdul

Autor: Michael (Gast)
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Nen Pegelwandler mit OPs dürfte ja auch gehen, klar dass es kein LM358 
dann sein sollte, ich glaub der streicht schon bei einem MHz die Segel 
bzw. noch eher.

Autor: Philipp (Gast)
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Erst mal, danke für die Antworten!


>Gib uns mal genauere Details über das Eingangssignal, was über den Trafo
>soll.
Das ist ein 10Mbps Datenstrom von einem RX-Chip an einen uC (Flanke 
nicht genau bekannt aber denke ein relativ schönes digitales Signal). Es 
sind 2 Leitungen, eine Clock und die andere Daten mit LOW=0V und 
HIGH=1.8V. Der RX empfängt gelegentlich 10Mbps bursts und gibt die dann 
seriell an den uC. Sprich: Es wird zwischen den Datenpaketen immer 
wieder eine Weile nichts kommen. Ist das ein Problem für den Trafo? Ich 
denke nicht, oder schon?
Ausgangsimpedanz des RX: unbekannt (kann ich evtl. nachfragen falls 
nötig)
Eingangsimpedanz des uC: unbekannt (im Datenblatt schön mit "TBD:To be 
defined" angegeben:-) wird aber ein standart CMOS Eingang sein. Was hat 
der? etwa 5-10pF???
Macht der Trafo zusammen mit der Eingangskapazität ein Problem 
(->schwingen)?


>Prinzipiell sollte der von dir auserwählte Übertrager schon ganz
>gut passen.
Auf was muss ich beim Trafo achten? Sicher mal übersetzungsverhältnis 
1:1.8 (wird in dem Fall nicht der richtige sein, ups!) und was noch? Was 
ist mit den 50ohm die auf dem Datenblatt oben rechts stehen, das ist 
wohl die Wellenimpedanz? Also nicht wichtig für kurze Leitungsbahnen 
(<1cm)?

Ist der Aufbau so richtig mit den 2 widerständen in serie? Und was für 
werte muss ich nehmen? Habe keine Ahnung wie gross ich die wählen 
darf!!!

Gruss und danke im voraus
Philipp

Autor: Philipp (Gast)
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>Nen Pegelwandler mit OPs dürfte ja auch gehen, klar dass es kein LM358
>dann sein sollte, ich glaub der streicht schon bei einem MHz die Segel
>bzw. noch eher.
Sind OPV nicht ein bisschen überdimensioniert? Reicht nicht schon ein 
normaler BJT?
Und da komm ich auf meine Frage: Was hat die Pegelwandlung mittels Trafo 
für einen Nachteil, dass das niemand macht???

grz
Philipp

Autor: Michael (Gast)
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"Energieverbrauch", ein Transformator hat Induktivitäten und Kapazitäten 
und auch einen ohmischen Widerstand. Dies alles trägt zu den Verlusten 
bei. OK, auch ein OP und ähnliches hat Verluste aber die sind i.d.R. 
weitaus geringer als die bei einem Transformator. Als weiterer Vorteil 
bei einer OP-Lösung kommt hinzu, dass die Impedanzanpassung einfacher 
realisiert werden kann als bei einem Transformator (EIngangs- und 
Ausgangsimpedanz). Der große Vorteil der Transformatoren ist die 
galvanische Trennung der beiden Seiten wenn ich das recht in Erinnerung 
hab. Ob man das braucht steht natürlich auf einem anderen Blatt Papier.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Du wirst beide Lösungen getrost vergessen können:

>3.3->1.8

Die parasitären Kapazitäten der Leitungen verschmieren deine Flanken. 
Wir hatten sowas mal gemacht in nem I2S-Bus mit etwa 11MHz (5=>3V3). Die 
Flanken waren erst zufriedenstellend, wenn die Widerstandswerte nur 
wenige 100Ohm betrugen. Sinnvoller ists da wohl, die internen 
Klemmdioden zu verwenden:
                             1V8
                              |
                           .----.
                           |    |
3V3_Signal  ------[R]------|    |----1V8_Signal
                  zB 1k    |    |
                           '----'
                             |
                            ===


>1.8->3.3

Was passiert, wenn du keine alterniernden Signale mehr hast? Also lange 
Folgen von Nullen oder Einsen? Die fehlende Gleichstromfreiheit wurde 
schon angesprochen..
Hier würde ich eine Logikfamilie nehmen, die 1V8 am Eingang sicher als 
High erkennt und obige Schaltung wieder verwenden, nur ohne dem 
Widerstand, dafür mit 3V3 betrieben.

Alternativ bieten sich Logikgatter mit OpenCollektor-Ausgang an. 
Dahinter einen relativ kleinen! Widerstand gegen die "neue" 
Betriebsspannung.

Autor: Philipp (Gast)
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@Matthias: Danke für deinen Vorschlag. Leider komme ich bei deiner 
Zeichnung nicht ganz draus. Unter Klemmdiode verstehe ich so was...

                          Vcc
                           |
                         -----
                          / \
                         /   \
                         -----
                           |
                           |
3V3_Signal  ------[R]------|-----------1V8_Signal
                 zb 1k     |
                           |
                         -----
                          / \
                         /   \
                         -----
                           |
                           |
                          Gnd

...aber die wären dann extern!
Und ich bin mir nicht sicher dass der 1.8CMOS IC interne Klemmdioden 
hat. (würde mit grosser Sicherheit sagen, dass er keine interne 
Begrenzung hat)

Zum Trafo: Eine lange 0-Folge wäre ja kein Problem, richtig? Und eine 
lange 1-Folge kann nicht vorkommen, da 1. die Datenpakete codiert sind 
(immer einige 0 beinhalten) und 2. die Pakete maximal 100us lang sind 
und nachher sicher 10us auf das nächste Paket gewartet wird (=0-Folge).
Hilft das, oder findest du die Variante trotzdem nicht gut?

gruss
Philipp

Autor: Micha (Gast)
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> Dachte man kann das mit einem geeigneten HF-Trafo machen. Warum macht das
> niemand? Wo liegt der Haken?
Zusätzlich zu den o.g. Kriterien dürften noch der Platzbedarf und die 
Kosten kommen. Ein kleiner SOT23-Käfer dürfte auf jeden Fall wesentlich 
günstiger und kleiner sein als ein Trafo und noch dazu schneller und 
bewährt.

Autor: Philipp (Gast)
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Warum ist eigentlich die parasitäre Kapazität so ausgeprägt??? Du meinst 
doch die vom 1.44k-Widerstand gegen Masse. Die liegt doch bei SMD 
Bauteilen bloss im unteren pF-Bereich. Und wenn ich dann so ein 0207 
Bauteil noch auf der Seite anlöte sollten doch die durch das PCB 
verursachten parasitären Kapazitäten sehr klein werden. Zumindest 
kleiner als das Cgs des Eingangs, nicht??? Und mit 5pF bin ich auf einen 
Tiefpass mit tau=3.3ns gekommen. Wenn man noch allfällige parasitäre 
Kapazitäten im 1.44k widerstand von 5pF annimmt hat man immer noch 
tau=6.6ns, was eigentlich reichen sollte!

Bist du sicher, dass die vom Widerstand kommen?

@Matthias: Nur so eine Überlegung, ich glaube dir das schon....

grz
philipp

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>aber die wären dann extern!

Meineswissens hat jeder IC sowas intern. Allein die Struktur aus P und N 
Mosfet ergibt antiparallele Klemmdioden wegen dem Aufbau.

Nimm nen DMM mit Diodentester und prüfe es nach...


>Du meinst doch die vom 1.44k-Widerstand gegen Masse. Die liegt doch bei SMD

Nein. Ich meine eher die, die durch diese Leiterbahn gegen Masse und! Ub 
erzeugt wird! Du führst ja das Signal irgendwoihn auf der Platine. Und 
das ist eine Fläche (Signal) mit einem Abstand (Platinenstärke) zu einer 
anderen Fläche (Masse)...


>Und eine lange 1-Folge kann nicht vorkommen,..

Das Problem liegt in der Ansteuerung. Du steuerst mit 0V und positier 
SPannung an. Das ist nie gleichspannungsfrei. Da hat ein Übertrager 
immer ein Problem, da er dann vormagnetisiert wird...

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Matthias Lipinsky wrote:
> Meineswissens hat jeder IC sowas intern. Allein die Struktur aus P und N
> Mosfet ergibt antiparallele Klemmdioden wegen dem Aufbau.

Nein. Viele neuere ICs haben keine, z.B. von vielen CPLDs von Xilinx 
weiß ich das genau (da bin ich nämlich drauf reingefallen). Ich vermute 
die lassen die aus Geschwindigkeitsgründen weg. Auch alle 5V toleranten 
ICs haben keine Klemmdioden.
Keine Ahnung wie die Hersteller das mit den Ausgangsmosfets machen, aber 
es ist möglich, wie man eben an diesen ICs sieht.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Bei 5V toleranten Eingängen sehe ich das ein. Bei zB CPLDs glaub ich das 
einfach mal, da ich die nicht kenne.

Autor: Philipp (Gast)
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>Meineswissens hat jeder IC sowas intern. Allein die Struktur aus P und N
>Mosfet ergibt antiparallele Klemmdioden wegen dem Aufbau.
Es ist bloss ein Prototyp der eigentlich nur für Laborbedingungen 
ausgelegt wurde, deshalb dachte ich er hätte keine 
"Überspannungsdioden". Aber wenn es schon durch die Technologie gegeben 
ist, sieht es gut aus...

>Nimm nen DMM mit Diodentester und prüfe es nach...
Mach ich sobald als möglich

>Nein. Ich meine eher die, die durch diese Leiterbahn gegen Masse und! Ub
>erzeugt wird! Du führst ja das Signal irgendwoihn auf der Platine. Und
>das ist eine Fläche (Signal) mit einem Abstand (Platinenstärke) zu einer
>anderen Fläche (Masse)...
ok, das stimmt. Aber die hast du bei deiner Variante ja auch... Was 
nützt es dann die Widerstandswerte zu verkleinern, oder ganz weg zu 
lassen? Dann kommt es nur drauf an die Leitung möglichst kurz und die 
Distanz zu GND,VCC möglichst gross zu wählen.
Ich frage deshalb, weil ich auf der Platine noch ein clocksignal habe 
mit einer flankensteilheit von <1ns. Und dort arbeite ich mit 50ohm 
Stripleitungen und ECL. Das heisst zig wiederstände für die 
terminierung. Und das würde bedeuten ich muss das dort erst Recht 
beachten! Reicht es nicht einfach die Leiterbahnen zwischen den IC's 
ganz kurz (<2mm) zu halten?


>Das Problem liegt in der Ansteuerung. Du steuerst mit 0V und positier
>SPannung an. Das ist nie gleichspannungsfrei. Da hat ein Übertrager
>immer ein Problem, da er dann vormagnetisiert wird...
Hmmmm...Richtig! In dem Fall geht die differential LVPECL --> 1.8V 
single-ended konvertierung auch nicht mit Trafo, auch wenn der Dutycycle 
nur ca 2% beträgt. Wie soll ich denn die Pegelwandlung machen?

gruss und danke

Philipp

Autor: Martin Laabs (mla)
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Für Pegelwandlung benutze ich sehr gerne einen Transistor in 
Basisschaltung wenn die Quelle den Strom treiben kann. Ergibt sehr 
schöne Flanken.
Wenn es zu tieferen Pegeln geht benutze ich auch die Diodenvariante - 
allerdings mit externen Dioden. (z.B. zwei Schottkydioden im SOT23). Dem 
Spannungsteiler könnte man noch einen kleinen Kondensator spendieren und 
so die Flanken steiler machen. Allerdings würde ich sowas nur für 
Versuchsaufbauten verwenden ..

Viele Grüße,
 Martin L.

Autor: Philipp (Gast)
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@Martin: Meinst du so ein Aufbau? Aber warum 2 Schottky dioden?
Weiss jemand per zufall einen geeigneten typ einer Schottky diode?
Ist 1kOhm ok? Kann damit ein 10Mbps signal gut übertragen werden?
Wo würdest du noch einen kleinen kondensator reintun? Du meinst in die 
unsprüngliche spannungsteilerschaltung, nicht?

gruss
Philipp



                          1V8
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                           |
3V3_Signal  ------[R]------|-----------> 1V8_Signal (CMOS eingang)
CMOS Ausgang      1k

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Ehrlich gesagt, wird es mir übel bei deinen Kenntnissen, wenn du mit ECL 
bei Flankensteilheiten kleiner 1ns arbeiten willst. Du solltest dir 
dringend gute Quellen für High-Speed Design durchlesen. Habe leider 
keine aus dem Kopf. Die üblichen Verdächtigen sollten da aber genug 
AppNotes haben.

"Die" Diode für die Eingangsspannungsbegrenzung ist sicherlich die 
BAV99.

Auf die Eingangschutzdioden von ICs solltest du dich nicht verlassen. 
Davon wird immer abgeraten, zumal die interne Schaltung je nach 
Hersteller stark schwankt und eine bunte Mischung aus Dioden, 
Widerständen und aktiven Bauelementen wie MOSFETs ist.
Integrierte Dioden bieten bei fast allen CMOS-Varianten einen 
parasitären SCR. Wenn der triggert, bleibt er an!! Mit allen Folgen...


Du kommst mit einem der gängigen Pegelwandler-ICs z.B. im SOT23 am 
besten weg. Guckst du bei z.B. TI in den diversen Übersichten. LVC und 
wie sie alle heißen.

Hoher Gleichspannungsanteil im Signal bedeutet nix anderes als extremer 
Frequenzbereich, in dem der Trafo arbeiten muß. Die untere Grenzfrequenz 
bestimmt dabei die Baugröße!
Kommen also Gleichspannnungspegel vor oder ist der Frequenzbereich 
größer als ca. 10, dann empfiehlt sich kein Trafo (Eigentlich ein 
Übertrager, da müßte ich aber noch mehr tippen :-).


Gruß -
Abdul

Autor: Josef (Gast)
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Warum eigentlich immer so kompliziert? Gibt's doch fertige Loesungen, 
z.B. den Selector 
http://focus.ti.com/logic/docs/translationselectio... 
aufrufen, Werte eingeben und schon hat man den passenden IC;-)

Autor: Alles bleibt besser (Gast)
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Na, wenn niemand in der Lage ist, zu erklären, warum der Trafo 
suboptimal ist, wird er das Hirngespinst ja nie aus seinem Kopf 
bekommen.

Tipp: Simulier' das Ganze, dann sparts Du viele Tränen und lernst auch 
noch dazu.

Autor: Peter Hoppe (peterhoppe59)
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>
> 2. 1.8->3.3: Dachte man kann das mit einem geeigneten HF-Trafo machen.
> Warum macht das niemand? Wo liegt der Haken?

Das machen Viele:) Z.B. auf fast jeder Netzwerkkarte oder bei SPDIF.
Wie bereits erwähnt wurde, müsstest Du Dein Signal so kodieren, dass die 
unterste Grenzfrequenz nicht zu niedrig wird, möglichst nicht kleiner 
als 10MHz. Der Transformator verträgt nur sehr kleine Gleichströme 
(wenige mA), weil er sonst in die Sättigung geht. Es darf also keine 
Gleichspannung anliegen. Eine SPICE Simulation ist sehr zu empfehlen!

Über den Einsatz entscheiden letztlich Anforderungen, Aufwand und 
Kosten. In Deinem Fall wurden ja bereits einfachere Lösungen 
angesprochen, aber im Prinzip kann Dich niemand an Deinem Vorhaben 
hindern:)
Du müsstest nur per Hardware und Software die besprochenen 
Voraussetzungen sicherstellen.

MFG Peter

Autor: Michael H* (Gast)
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da unterschlägst du aber, dass die übertrager hier auch zur 
impedanzanpassung verwendet werden und nicht als reine pegelkonverter!

ein übertrager ist hier völlig fehl am platz: induktiv(!) und teuer.

10MHz sind zwar kein pappenstil, aber leicht mit dedizierten 
pegelwandlern machbar.
sh. herstellerkataloge.

Autor: Falk Brunner (falk)
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Siehe Pegelwandler

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