Hallo,
ich sitze gerade vor einem Problem, bei dem ich nicht weiter komme.
Ich soll eine LED (Uf ca 2V) mit einer Frequenz von mindestens 1MHz
schalten, um ein digitales Signal zu senden. Bis klappt das brauchbar
mit einem kleinen FET (siehe 1)
Nun habe ich aber die Aufgabe, dass die Sende- und später die
Empfangslatenz gegen Null gehen soll. Da der HC125 nur einen geringen
Strom liefert ist die Ladezeit des Gates recht hoch.Z.Zt. rechne ich da
laut Oszi mit ca. 50-60ns Verzug durch die Gateladekurve.
Mein Ziel wäre es, eine möglichst steile Schaltflanke für die LED zu
bekommen, die mit minimalem Zeitverzug auf das Steuersignal an der Basis
folg. Daher die Idee, einfach einen BC337-40 (25) oder BC547 C (B)
NPN-Transistor im Kollektorschaltung zu betreiben (siehe Bild 2). Wie
sich heute zeigte klappt das aber nur bis ca.50kHz ganz gut und das
Emitterpotential sank wieder gegen Null. Bei höheren Frequenzen geht der
Emitter immer weniger in Richtung Grundpotential.Bei 1MHz.ist es soweit,
dass am Emitter nur noch auf ca.4,3V liegt, die LED nicht mehr erlischt.
Wie kann ich diese Sättigung verhindern? Wie bekomme ich den Transistor
schneller wieder gesperrt? Wie kurze Schaltzeiten sind realistisch bei
einem Strom Ice von va. 5-10mA?
Ich wäre für jeden Tipp dankbar.
Gruß
Mike
Dein "kleiner FET" ist hoffentlich kein JFET wie
gezeichnet, sondern ein MOSFET.
Nimm mal statt dem LS125 (dessen OE keinerlei Sinn macht)
einen HC04 und lass in beiden Fällen R7 weg.
Der Trick wäre wohl bei beiden Schaltungen, den
Transistor die LED nicht ganz ausschalten zu lassen,
sondern knapp unter der Helligkeit zu halten, die
für den Empfänger ein sicheres logisch 0 bedeutet.
Hallo MaWin,
das JFet-Symbol sollte das N-Mos-Symbol sein. Leider habe ich auf diesem
Rechner nur eine KiCad-Version von 2008. Da sah das Symbol noch so aus.
Ich bin auf den HC125 angewiesen, da dieser an eine Busstruktur
angeschlossen ist. Die Zeichnung ist nur ein Ausschnitt. Ein uC steuert
die OE an und dann machen sie sehr wohl Sinn :)
Es geht mir darum herauszufinden, wie ich den Transistor Beine machen
kann, so dass dieser schneller wird. Alternativen zu diesem
Transistortypen wären mir auch sehr recht. Laut LTSpice sollte gerade
der 547 eine saubere und sehr zeitnahe (ca. 4-5ns) Schaltung
durchführen. In Praxis tut er das aber nicht.
Mit Gruß
Mike
Ach ja... R7 weglassen. Hatte ich mir auch überlegt. Die habe ich nur
zur Sicherheit drin. Da der HC125 sowieso nur 20mA liefern können soll,
ist er und nicht der Widerstand das strombeschränkende Bauteil.
Beim Emitterfolger soll der Ibe gerade mal um 2 uA betragen. Auch hier
wäre ein Weglassen wahrscheinlich nicht entscheidend. Aber ich werde es
versuchen.
Gruß
Mike
Die Variante für Faule: lass den Transistor weg und schliess Widerstand
plus LED direkt an den Ausgang Deines Logikgatters an. Wenn der Strom
nicht reicht, kannst Du mehrere Module des ICs parallel schalten oder
auf HC- (ca. 4 mA pro Ausgang) oder gar AC-Logik (ca. 20 mA pro Ausgang)
wechseln.
Bei der FET-Variante: Gate-Widerstand runter, so auf 2-10 Ohm. Und nen
stärkerer Teiber, auch hier entweder mehrere Module eines 74HC parallel
oder gleich nen 74AC. Letzteres ist bei nem kleinen FET aber vielleicht
etwas übertrieben.
Wenn Du den Bipolartransistor weiter verwenden möchtest: setze nen
kleinen Kondensator (probier mal so 470pF bis einstellige nF) parallel
zum Basiswiderstand des Transistors. Ansonsten das was MaWin gesagt hat:
nie ganz abschalten, es muß immer ein minimaler Strom durch Transistor
und LED fliessen. Dann kannst Du schneller an- und abschalten.
Hallo,
wenn man eine LED sehr schnell ein- und ausschalten möchte sollte man
die LED nie ganz abschalten. Stark vereinfacht ausgedrückt: Es ist nicht
nötig die LED-Kennlinien jedesmal von 0 mA bis 40 mA zu durchlaufen. Der
Weg von 1 mA bis 40 mA ist "wesentlich kürzer" (Dioden Kennlinie). Des
Weiteren ist es sinnvoll die LED beim Einschalten zu übersteuern
(Stichwort: "Peaking"). "Last but not least" spielt natürlich auch die
(optische) Bandbreite der LED eine große Rolle.
Wenn auch schon etwas älter, zum Einlesen jedoch recht interessant ist
die Application Note von Avago (vormals HP): "Low Cost Fiber Optic Links
for Digital Applications up to 155 MBd (Application Bulletin 78)"
http://www.avagotech.com/docs/5965-6005E
Mit freundlichen Grüßen
Guido
Hallo Guido,
das ist ja ein Superdokument. Das werde ich morgen gleich zum Frühstück
studieren. Hast du noch weitere Links in dieser Richtung? Ich scheitere
nämlich schön regelmäßig bei 2-3MHz mit den normal bekannten Methoden
und habe schon manche Bibliothek nach Hochgeschwindigkeitsoptosendern-
und empfängern durchsucht. Meist war 1MHz bereits eine magische Grenze
oder es wurde sich um konkrete Schaltungen gedrückt. Das ist genau die
Richtung die ich suche.
ECL... heiß und .... bekomme ich solche Steine überhaupt im regulären
Handel? Muss ich morgen auch gleich recherchieren.
Um auf die obigen Schaltungen zurück zu kommen:
D.h., dass ich die BE-Strecke immer vorgespannt lassen sollte mit etwa
Ubasis >= Uforwarddiode +Ube? Da ich einen TTL-Bus habe, brauche ich
eine DC-Kopplung zum Transistor. Wie würdet ihr das machen? Querstrom an
der Basis durch einen Spannungsteiler an VCC und GND und dann mit einer
schnellen Diode das TTL-Signal an die vorgespannte Basis legen?
Mit vielem Dank und Gruß
Mike
@ Mike (Gast)
>Ich soll eine LED (Uf ca 2V) mit einer Frequenz von mindestens 1MHz>schalten,
Eher langsam.
>um ein digitales Signal zu senden. Bis klappt das brauchbar>mit einem kleinen FET (siehe 1)
Mit 100 Ohm Angstwiderstand. Der ist überflüssig bis kontraproduktiv.
>Empfangslatenz gegen Null gehen soll. Da der HC125 nur einen geringen>Strom liefert
Nö, dem kann man schon 20mA abverlangen, auch wenn dann die
Ausgangsspannung leicht einbricht. HC Schaltkrerise haben um die 30-50
Ohm Ausgangswiderstand.
>bekommen, die mit minimalem Zeitverzug auf das Steuersignal an der Basis>folg.
Wie bereits gesagt, kann das der 74HC125 allein.
> Daher die Idee, einfach einen BC337-40 (25) oder BC547 C (B)>NPN-Transistor im Kollektorschaltung zu betreiben (siehe Bild 2).
Geht auch.
>sich heute zeigte klappt das aber nur bis ca.50kHz ganz gut und das>Emitterpotential sank wieder gegen Null. Bei höheren Frequenzen geht der>Emitter immer weniger in Richtung Grundpotential.Bei 1MHz.ist es soweit,>dass am Emitter nur noch auf ca.4,3V liegt,
Ja.
> die LED nicht mehr erlischt
Falsch! Die Spannung am Emitter liegt vielleicht noch auf 4,3V, d.h.
aber nicht, dass die LED noch Strom bekommt. Denn deine
Kollektorschaltung ist eine Ein-Quadrantenschaltung, die nur Strom in
die LED pumpen kann, aber NICHT die parasitären Kapazitäten entladen
kann. Wie auch? Durch die gesperrte Basis? Eher nicht. Ausserdem muss
der Basiswiderstand raus, der ist hier unnötig bis kontraproduktiv.
Wenn du wissen willst, ob die LED WIRKLICH Strom bekommt und damit
leuchtet, musst du einfach die LED und R in der Reihenfolge tauschen und
den Spannungsabfall über dem Widerstand gegen Masse messen. Damit hat
man einen deutlich besseren Messwert für den Zustand der LED. (Jaja, ich
weiß, die parasitäre Kapazität der LED spuckt hier ein bisschen in die
Suppe, aber für's Erste ist das OK bei 1 MHz).
>Wie kann ich diese Sättigung verhindern?
Da sättigt nicht, es wird nur nicht entladen. Das ist aber eher
unkritisch.
Im Zweifelsfall schließt man 1K parallel zu deiner LED an, der entlädt
die paar pF. Ist aber eher eine Schönheitskorrektur
>schneller wieder gesperrt? Wie kurze Schaltzeiten sind realistisch bei>einem Strom Ice von va. 5-10mA?
Hmmm, 20-50ns sollten machbar sein, ggf. weniger.
Hallo Falk,
Das mit dem Reihenwiderstand bei der LED ist ein guter Vorschlag.Daran
hatte ich gestern nicht gedacht. so wird die Strecke zwischen LED-Anode
und Transistoremitter auf konstantem Spannungsniveau gehalten.Da sehe
ich nix.
Ich werde das umbauen und testen. Ebenso den Angstwiderstand entfernen.
Die LED-Widerstandsschaltung sehe ich dann für nicht notwendig an.
Sehr fein.
Die Schaltzeiten von 20-50ns schaffe ich mit dem Mosfet bereits jetzt.
Daher scheint die Kollektorschaltung wohl keine echten Vorteile zu
bringen, oder? Die schnellste Ansteuerung scheint wohl direkt aus einem
Logikgatter erfolgen zu können. Oder siehst du da noch eine
schnellere/bessere Möglichkeit?
Vielen Dankund mit Gruß
Mike
@ Mike (Gast)
>Die Schaltzeiten von 20-50ns schaffe ich mit dem Mosfet bereits jetzt.>Daher scheint die Kollektorschaltung wohl keine echten Vorteile zu>bringen, oder?
Oder. Wie misst du denn? Hoffentlich mit einem 10:1 Tastkopf und eniem
ausreichend schnellen Oszilloskop, so 50 MHz++.
Hallo Mike,
Mike schrieb:> ECL... heiß und .... bekomme ich solche Steine überhaupt im regulären> Handel? Muss ich morgen auch gleich recherchieren.
Auf ECL musst Du nicht umsteigen. In dem von mir verlinkten Dokument
"Low Cost Fiber Optic Links for Digital Applications up to 155 MBd
(Application Bulletin 78)" sind der optische Sender und der Empfänger so
aufgebaut, dass sie auf der elektrischen Seite mit ECL-Signalen
arbeiten. Die eigentliche Ansteuerung der LED erfolgt nicht mit
ECL-Gattern.
Für das Grundverständnis auch ganz nützlich ist das Script zur
Lehrveranstaltung "Analoge und Digitale Schaltungen" der Technischen
Universität Ilmenau. Du kannst das Skript hier
http://www.tu-ilmenau.de/mhe/lehre/analoge-und-digitale-schaltungen/
herunterladen. Das Kapitel "8.4.2 Ansteuerung von LED in optischen
Sendern" ist in Deinem Fall von Interesse.
Für die Realisierung einer einfachen Ansteuerschaltung kann ich dir noch
das Datenblatt der LEDL9534 von Hamamatsu Photonics empfehlen. Die LEDL9534 wird meines Wissens nicht mehr produziert. Du solltest die Infos
jedoch auch in Datenblätter der Nachfolgemodelle finden.
http://jp.hamamatsu.com/search/cs.html?charset=utf-8&url=http%3A//jp.hamamatsu.com/resources/products/ssd/pdf/l9534_kled1051e01.pdf&qt=l9534&col=en&n=1&la=en
Mit freundlichen Grüßen
Guido
Hallo,
@Falk:
ja, ich messe über 10:1 Tastköpfe und das mir zur Verfügung stehende
Oszi ist hinreichend schnell.
@Guido:
ich werde weiter lesen. Vielen Dank für deine Links. Mich würde im laufe
der Lektüre interessieren, welche Arten von Sende- und Empfangsdioden
für derartige Geschwindigkeiten verwendet werden können. Mal sehen.
@Peter:
Die Schaltung möchte ich gerne verstehen. Denn laut der einhelligen
Meinung hier liegt der Schlüssel zur Geschwindigkeit darin, den Strom
über die Diode nie ganz abreißen zu lassen.
1. Am Gatterausgang liegen 0V:
Als Emitterfolger liegt damit am Emitter und damit auch an der Anode der
Diode eine Spannung von ca. 0,7V an. Da die Basis unter der
Schaltschwelle liegt kommt es zu einem Stromfluss von R in die Masse.
Aufgrund des geringen Anodenpotentials sperrt die LED vollkommen.
2. Am Gaterausgang liegen 5V:
Mit steigender Spannung an der Basis steigt auch das Emitterpotential.
Erreicht das Emitterpotential die Schwellwertspannung der LED wird diese
Leitend und hält damit das Emiterpotential auf einem fixen Wert. Da die
Basisspannung weiter steigt sperrt der NPN und der Stromfluss setzt sich
nur durch die LED fort.
Folglich müsste es einen kurzen "schleichenden" Wechsel der Stromsenken
geben. Vom PNP zur Diode und umgekehrt. Aber damit wäre ja noch immer
eine Stromfreie Phase für dieLED vorhanden, eben wenn die
Vorwärtsspannung der LED unterschrittten wird. Auch wenn diese die
gesamte Zeit vorgespannt bleibt.
Habe ich diese Schaltung richtig verstanden? Wäre da bereits eine
optimale Methode?
Ich bin weiterhin sehr dankbar für alle Hinweise und Tipps
Mit Gruß
Mike
Hallo Guido,
ich habe mit gerade das Datenblatt zur L9534 von Hamamatsu angesehen und
die darin enthaltene Schaltung. So einfach geht das bei den Profis? Mei
mei mei.
Hast du auch vielleicht Unterlagen, Appnotes oder Beschreibungen vom
Gegenstück dieser Schaltung? Also von optischen
Hochgeschwindigkeitsempfängern? Es reicht, wenn diese schnell und
empfindlich (das schließt sich ja eigentlich aus) digitale Signale
detektieren können. Differenzierte analoge Signale brauche ich nicht
auszuwerten (ist ein digitaler Signalstrom). Das wäre für mich gerade
super hilfreich, da ich auch hier gerade an meiner Grenze bin.
Zur Zeit habe ich einen Empfänger aufgebaut, der etwa 5 MHz bei einer
Verstärkung von über G=10⁵ noch sehen kann, dabei aber eine Latenz von
gut 150-200ns aufweist bis das Signal sauber auf TTL-Pegel ist. Das ist
für mein Projekt nicht hinreichend.
Der Aufbau besteht derzeit aus einer Kaskodeschaltung mit
Photodiode(SFH203), einem TIA (OPA656) und einem Komparator (AD8561).
Die Verstärkung der Schaltung ist absolut hinreichend, aber die dabei
resultierende Geschwindigkeit des OPA656 ist einfach schlecht.
Viellicht muss ich da, wie bei den LEDs, einfach anders denken. Solltest
du zu Empfängern auch Infos haben, so wäre ich die sehr dankbar, wenn du
mir ein paar Links zukommen lassen könntest. Die anderen waren schon
Gold wert.
Mit Gruß
Mike
Hallo Guido,
das Kapitel 8.4.2 ist leider weder in der HTML- noch in der PDF-Verions
enthalten. Nach Kapitel 8.3.4 kommen Übungen zur Vorlesung.
Hast du den Rest evtl. ?
Mit Gruß
Mike
Das Grundprinzip habe ich nun verstanden. Die Schaltungen von Peter und
Guido verfolgen alle den selben weg. Sei es mit Spannungsteilern oder
Transistoren in Kollektorschaltung. In der Literatur scheinen jedoch
auch hier gerne Emitterschaltungen verwendet zu werden.
Da ich hier gerade nichts messen kann:
Wie weit sollte die Diodenkapazität vorgespannt werden, damit eine
möglichst schnelle schaltung erfolgt. Peters Schaltung bringt hier ca.
0,7V Vorspannung. Hamamatsu arbeitete mit zund 1,8V. Beide liegen damit
wohl deutlich oder gerade noch unter der Vorwärtsspannung. Also kein
Ruhestrom durch die LED. Wo sollte ich mich idealerweise orientieren?
Mit Gruß
Mike
Wie wäre es denn mit einer Kollektorschaltung?
Masse ist an Plus, um die LED-Spannung zu messen und die Schottky ist
drin, damit bei 1ps Anstiegszeit die Parasitären Elemente nicht allzu
verrückt spielen. Klappt leider nicht ganz an den Schaltflanken und beim
Rückwärtsstrom, der aber in der Realität besser aussehen dürfte.
Arno
P.S. zu lange simuliert, wie ich sehe
Hallo,
Mike schrieb:> Wie weit sollte die Diodenkapazität vorgespannt werden, damit eine> möglichst schnelle schaltung erfolgt. Peters Schaltung bringt hier ca.> 0,7V Vorspannung. Hamamatsu arbeitete mit zund 1,8V. Beide liegen damit> wohl deutlich oder gerade noch unter der Vorwärtsspannung. Also kein> Ruhestrom durch die LED. Wo sollte ich mich idealerweise orientieren?
An der Helligkeit der LED. Vereinfach gesprochen gilt: Die Vorspannung
und somit der Vorstrom durch die LED sollte so groß sein, dass Dein
Empfänger gerade noch eine "0" detektiert. Natürlich bleibt man in der
Praxis etwas darunter.
Beim Bau des Empfängers kann ich Dir leider nicht viel weiterhelfen. Nur
so viel, Du solltest die Photodiode unter Vorspannung betreiben.
Mit freundlichen Grüßen
Guido
@ Mike (Gast)
>Habe ich diese Schaltung richtig verstanden? Wäre da bereits eine>optimale Methode?
Eine ausreichende. 1 MHz ist ja nun weiß Gott nicht soooo wild.
>Transistoren in Kollektorschaltung. In der Literatur scheinen jedoch>auch hier gerne Emitterschaltungen verwendet zu werden.
Eben weil sie den Transistor nicht sättigen und damit schnell sind. ECL
macht es ja auch so.
>Wie weit sollte die Diodenkapazität vorgespannt werden, damit eine>möglichst schnelle schaltung erfolgt.
Naja, bei 1 MHz braucht man das nicht wirklich. Sowas macht man eher bei
Lasern für Datenübertragung bei 100 Mbit/s++. LEDs werden bis ca. 155
Mbit/s eingesetzt und dort hart ON/OFF geschaltet. Natürlich sind das
spezielle, kapazitätsarme LEDs, keine 0815 IR-LEDs vom Conrad ;-)
>Ruhestrom durch die LED. Wo sollte ich mich idealerweise orientieren?
Ich würde einfach per Widerstand einen Rihestrom fließen lassen, der ca.
5% des Maximalstroms entspricht.
>detektieren können. Differenzierte analoge Signale brauche ich nicht>auszuwerten (ist ein digitaler Signalstrom).
Die erste Sufe ist dennoch ein linearer TIA.
>Zur Zeit habe ich einen Empfänger aufgebaut, der etwa 5 MHz bei einer>Verstärkung von über G=10⁵ noch sehen kann, dabei aber eine Latenz von>gut 150-200ns aufweist bis das Signal sauber auf TTL-Pegel ist. Das ist>für mein Projekt nicht hinreichend.
Was ist denn das Ziel? Ausserdem sollte man besser von Anstiegszeit und
Verzögerungszeit reden, denn 5 MHz können je nach Tastverhältnis alles
sein. Auch wenn wir alle insgeheim von 5 MHz mit 0,5 Tastverhältnis
ausgehen.
>Der Aufbau besteht derzeit aus einer Kaskodeschaltung mit>Photodiode(SFH203), einem TIA (OPA656) und einem Komparator (AD8561).>Die Verstärkung der Schaltung ist absolut hinreichend, aber die dabei>resultierende Geschwindigkeit des OPA656 ist einfach schlecht.
Ein Schaltplan sagt mehr als 1000 Worte.
SFH203 ist sehr schnell, auch wenn hier im Datenblatt wahrscheinlich ein
Tippfehler ist.
"Anstiegs und Abfallzeit des Fotostromes
Rise and fall time of the photocurrent
RL= 50 kW; VR = 20 V; l = 850 nm; Ip = 800 mA
5 ns
"
Das sind eher 50 OHm, ohne Kilo.
OPA656 hat je nach Datenblattseite 230-500 MHz Gain-Bandwidth Produkt.
Da ist deutlich mehr drin, natürlich aber nicht mit 1 MOhm und 47pF. Die
SFH203 hat 11pF bei 0V, bei 20V Sperrspannung vielleicht 2-3pF. Hier
spielt das Layout eine wichtige Rolle.
AD8561 ist ein 7ns Komparator!
Alles in allem ist mit diesen Bauteilen deutlich mehr drin, ich würde
mal 50ns Pulsbreite und weniger schätzten, macht 10 MHz++.
Hallo
@Guido
Schade.Die Photozelle spanne ich bereits vor. Ich befürchte es liegt
derzeit auch einfach an einem sehr schwachen Eingangssignal.
@Arno
Ich habe mir deine Simulation angesehen. Das sieht in den Strom- und
Spannungsverläufen sehr gut aus. Die Schaltungen sind ja sehr schnell.
Ich sehe aber leider nicht den Trick hinter der Schaltung. Warum
arbeitest du mit negativen Spannungsvorzeichen? Wozu nutzt du eine
Schottkydiode?
Mit Gruß
Mike
Hallo,
Mike schrieb:> Ich befürchte es liegt> derzeit auch einfach an einem sehr schwachen Eingangssignal.
Wie wird das Licht den übertragen (Freiraum/Lichtwellenleiter)? Ist der
Abstrahlwinkel der LED "passend"? Ist die maximale spektrale
Empfindlichkeit des Empfängers (einigermaßen) passend?
Was auch noch interessant wäre, welche LED verwendest Du? Wie Falk
bereits erwähnt hat ist dies ein sehr wichtiger Punkt.
Mit freundlichen Grüßen
Guido
Mike schrieb:> Hallo> @Arno
...
> Ich sehe aber leider nicht den Trick hinter der Schaltung. Warum> arbeitest du mit negativen Spannungsvorzeichen? Wozu nutzt du eine> Schottkydiode?Arno H. schrieb:> Masse ist an Plus, um die LED-Spannung zu messen und die Schottky ist> drin, damit bei 1ps Anstiegszeit die Parasitären Elemente nicht allzu> verrückt spielen. Klappt leider nicht ganz an den Schaltflanken und beim> Rückwärtsstrom, der aber in der Realität besser aussehen dürfte.
Das sind einfach nur Hilfsmittel für die Simulation gewesen. Die
Ansteuerspannung ist ja immer noch auf den Minuspol der 5V bezogen.
Im realen Aufbau wird der Spannungsverlauf auch ohne Schottkydiode
anders aussehen.
Arno
Bei mehr als 1 MHz sollte man mal kontrollieren ob die LED überhaupt so
schnell reagiert. Einiger der IR LEDs (vor allem 950 nm) sind relativ
langsam. Ein erster grober Test wäre es die reverse recovery Zeit der
LED zu messen. Wenn man die LED schneller als diese Zeit auschalten will
sollte man über eine Schaltung wie oben (Datum: 05.02.2013 11:49) mit
Transistor parallel zur Last nachdenken, nur dass man noch zusätzlich
per Schottkydiode verhindern sollte das der Transistor in die Sättigung
geht.
Unbenannt.png
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