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
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
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
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.
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.
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
In ECL-Technik kein Problem. Fertiger Baustein oder diskret mit
schnellen Transistoren aufgebaut.
Die Kunst ist das ganze nicht durch Signalführung / Messung zu
verhunzen.
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.
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.
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
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.
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
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
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.
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
>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
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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