Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schneller Rechteckgenerator mit Offset und negativen Spannungen


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von Wolfgang S. (woeba)


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Hallo zusammen!

Ich wurde beauftragt einen Rechteck-Generator zu entwerfen der folgendes 
kann:

1.) Signalform A: Rechteck im positiven Spannungsbereich mit 
Gleichspannungsanteil bis 16V
2.) Signalform B: Symmetrischer Rechteck bis 32V PP.
3.) Bis 2 MHz mit max. 2% Quantisierungsfehler bei 2MHz.
4.) Ein möglichst sauberer Rechteck mit steilen Flanken ohne merkliche 
Überschwinger
5.) Fertigungskosten: 15-20€ (bestückte Platine)
6.) Batteriebetrieben

Das ganze soll digital per MCU kontrolliert werden.
Ich denke da an einen Xmega64A3U der 125MHz Timer-Takt und zwei DAC mit 
ausreichender Auflösung mitbringt.

Leider habe ich nur sehr wenig Erfahrung in Analogtechnik, besonders bei 
den geforderten Frequenzen. Könnte mir jemand einen Tipp geben mit was 
für einer Grundschaltung man in diesem Frequenzbereich zwischen zwei 
Spannungen schnell  (~10ns) wechseln kann von denen eine auch negativ 
sein kann? Die DACs selber sind zu langsam, das Umschalten muss ich mit 
einem digitalen Signal machen das aus dem Timer des MCU kommt. Mit den 
grundsätzlichen OP Schaltungen bin ich vertraut, komme aber hier damit 
irgendwie nicht weiter :-/

Grüße!

von Achim S. (Gast)


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eine 32V Flanke in 10ns (also ein Slewrate von 3200V/µs): das ist schon 
ganz schön flott.

Grundsätzlich ist deine Idee, die zwei Spannungswerte "als 
Gleichspannung" per Doppel-DAC zu erzeugen und dann mit einem schnelle 
Schalter zwischen beiden umzuschalten, nicht schlecht. Bei schnellen 
Schalter ist die Auswahl bei kleinerem Arbeitsspannungsbereich 
wesentlich größer als wenn der gleich die vollen 32V durchlassen soll. 
Deshalb könntest du den Spannungsbereich für DAC und Schalter 
runterzuskalieren und dann am Schalterausgang nachverstärken. Ebenfalls 
solltest du bei dem schnellen Schalter einen Blick auf dessen Charge 
Injection haben (die gibt dir einen "Störpuls" im Umschaltmoment auf 
dein Signal).

Ich hatte mal ne ähnliche Anwendung mit 4 einstellbaren Spannungspegeln 
(bei dir verstehe ich es so, dass zwei einstellbare Spannungspegel 
gefordert sind). Meine Bauteile waren damals
- DAC7565 als 4-Kanal DAC,
- ADG604 als schnellen 4 zu 1 Umschalter und
- AD811 als Nachverstärker.
Für die von dir beschriebenen Anforderungen würde das aber nicht 
ausreichen: weder schafft diese Kombination die 32Vpp, noch die 10ns 
Anstiegszeit der Flanke (so was wie 20Vpp und 50ns Anstiegszeit waren 
damit erreichbar).

Bei den 10ns Anstiegszeit der Flanke wäre auch schon interessant, was 
für eine Last zu treiben ist. Z.B. 50pF Lastkapazität machen bei 
32V/10ns immerhin schon einen Ausgangsstrom von 160mA.

Wenn die 10ns wirklich benötigt werden (rede noch mal mit deinem 
Auftraggeber) kannst du vielleicht einen Gate-Treiber benutzen, dem du 
die Versorgungsspannungen per DAC einstellst (braucht dann am Eingang 
einen Pegelshifter für das Schaltsignal). Aber auch damit sind deine 
Anforderungen nicht einfach zu hinzukriegen. Wie sicher ist sich dein 
Auftraggeber denn, dass die Flanke wirklich nur 10ns haben darf und dass 
wirklich 32Vpp benötigt werden, und dass das dafür 20€ Herstellkosten 
reichen müssen?

von Ralph B. (rberres)


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Klingt nach einen 5 Watt Breitbadverstärker welches von DC bis 
mindestens 100MHz geht.

Das wird man kaum für 20€ bauen können.

Ralph Berres

von Pandur S. (jetztnicht)


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Etwas in der Richtung dann ..

https://www.minicircuits.com/WebStore/dashboard.html?model=TVA-R5-13A%2B
Der hat allerding noch nicht ganz die Leistung.

10nS Flanken bedeutet ein Wenig mehr wie 100MHz. Denn 100MHz sind 10ns 
Periode.

von Helmut S. (helmuts)


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Wenn da ein 50Ohm Kabel dran hängt oder gar noch mit 50Ohm Abschluss, 
dann wird das schon wesentlich schwieriger.
Wie sieht denn die Last aus und wie kommt das Signal zum Verbraucher?

von Achim S. (Gast)


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Sapperlot W. schrieb:
> 10nS Flanken bedeutet ein Wenig mehr wie 100MHz. Denn 100MHz sind 10ns
> Periode.

Jain: eine häufig benutzte Näherung ist Bandbreite = 0,35 / Anstiegszeit

Die bezieht sich auf 3dB-Bandbreite und die 10%-90% Anstiegszeit. Streng 
genommen gilt der Zusammenhang nur, wenn der Frequenzgang eines 
einfachen RC-Tiefpass vorliegt. Aber z.B. bei vielen Oszis wird der 
Analogteil genauso charakterisiert (Mein Hameg zuhause ist mit 100MHz 
Analogbandbreite und 3,5ns Anstiegszeit spezifiziert).

Der Vorschlag von Ralph (100MHz Bandbreite für die geforderten 10ns 
Anstiegszeit) liegt also in einem vernünftigen Bereich, wenn mit 
Anstiegszeit die 10%-90% gemeint sein sollte.

Wenn der Auftraggeber stattdessen erwartet, dass die Flanke nach 10ns 
auf einen kleinen Restfehler eingeschwungen ist, dann wäre tatsächlich 
mehr Bandbreite nötig (je nach Größe des Toleranzbandes ggf. sehr viel 
mehr).

von S. K. (hauspapa)


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Der Vorschlag einen Gatetreiber zu verwenden und die Versorgungsspannung 
einstellbar zu machen ist auf den ersten Blick nicht schlecht.

Dein Freund ist:
http://www.ixysic.com/home/pdfs.nsf/www/IXD_602.pdf/$file/IXD_602.pdf
und seine Brüder.

Aber: Die brauchen eine Mindestspannung um zu arbeiten. Linear von 0 weg 
wird damit schwierig. Geht also nur wenn die Spezifikationen das 
hergeben.

Ich würde in einem Design auf 50 Ohm Testweise einmal:

Verstärker aus 4x parallel: LM7171 mit je 200Ohm im Ausgang
aufbauen oder wenigstens simulieren.

Evtl. kommt 1 schneller Opamp mit bipolarem Emitterfolger billiger. Ob 
das sauber funktioniert müsste man genauer anschauen.

viel Erfolg
hauspapa

von THOR (Gast)


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S. K. schrieb:
> Evtl. kommt 1 schneller Opamp mit bipolarem Emitterfolger billiger. Ob
> das sauber funktioniert müsste man genauer anschauen.

Ich würde auf Regelschleifen verzichten sofern möglich. Nachher schwingt 
der, muss kompensiert werden und ist dann langsamer als CMOS-Logik + 
Verstärker.

von Wolfgang S. (woeba)


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Hallo zusammen!

Ich möchte mich erstmal für die ausführlichen und wirklich 
qualifizierten Antworten bedanken! Ich bin gerade auf einer 
Geschäftsreise und werfe in ein paar Tagen mal Spice an. Die Flanken 
werden wohl doch nicht ganz so steil sein müssen, wie genau muss ich 
noch klären, wobei je steiler desto besser.

Viele Grüße!

von Wolfgang S. (woeba)


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Hallo zusammen!

Ich habe mich nochmal hingesetzt. Ich denke mit entsprechend guten und 
schnellen OPs bekomme ich die Verstärkung hin. Probleme habe ich aber 
noch mit dem Erzeugen des un-verstärkten Signals. Ein analoger 
Multiplexer mit symmetrischer Versorgung sollte eigentlich gut passen. 
Dann kann ich mit den beiden DACs im XMEGA die umzuschaltenden 
Spannungen erzeugen und eine davon mit einem OP Invertieren. Danke Achim 
für den Tipp mit der Charge Injection. Der Plot zeigt das ganze in 
LTSpice mit einem ADG938 folglich noch ohne symmetrische Versorgung mit 
kleinen Unschönheiten an den Ecken (zu hohe Charge Injection?). Kennt 
jemand einen schnellen symmetrischen Multiplexer mit mindestens 2* SPDT 
(Umschalter) für den es auch ein SPICE Modell gibt? Ich bin da auch nach 
längerer Suche nicht fündig geworden.

Grüße!

Edit: Die unschönen Kanten entstehen im Multiplexer, auf dem Plot sind 
die nur mitverstärkt.

: Bearbeitet durch User

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