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Forum: HF, Funk und Felder Rechtecksignal mit Anstiegszeit < 1 ns für Oszi- und Tastkopf-Tests


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Autor: Holger H. (marsmensch)
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Ich möchte als Bastelprojekt einen Signalgenerator bauen für 
Rechtecksignale mit Anstiegs-/Abfallzeit < 1ns. So etwas wird für den 
HF-Abgleich meiner Tastköpfe gefordert. Damit möchte ich auch die 
Grenzen meiner Tastköpfe und Oszillographen prüfen und einiges an 
Mess-Know-how sammeln.

Das Thema ist nicht neu, und ähnlich vor 9 Jahren behandelt, daher habe 
ich auch den Tipp mit den MC100EP16 - 3.3V / 5V ECL Differential 
Receiver/Driver übernommen der mit einer Anstiegszeit unter 0,2 ns 
spezifiziert ist und 50 mA (kurz 100mA) treiben kann. Sollte also 
ausreichend schnell, niederohmig und robust für diese Aufgabe sein. Das 
SO8 Gehäuse ist auch sehr bastelfreundlich. Nur die geringe Amplitude 
von ca. 0,75V ist für einen 1:100 Tastkopf grenzwertig. Das Bauteil 
MC100EP16VSDG habe ich bereits für ein paar Euro aus dem noch nicht 
Brexit-Land über ein bekanntes Auktionshaus geordert.

Schaltung habe ich beigefügt, ich habe alles Gleichstrom gekoppelt 
vorgesehen.

Aufbauen möchte ich das ganze zuerst auf eine Standard SO8E 
Adapterplatine, also die für SO8 Power-IC’s mit Kühlfläche unter dem 
Gehäuse. Siehe z.B. hier: 
Ebay-Artikel Nr. 173925261556

Die Masse/Kühlfläche der Leiterplatte möchte ich mit 3V (Vcc-2V) 
belegen, die soll dann auch später an die Tastkopf-Masse angeschlossen 
werden. Auf der Unterseite sollen symmetrisch die 50 Ohm SMD-Widerstände 
von der Masse/Kühlfläche an die Ausgangs Pads gelötet werden (Bohrung 
sollen offen bleiben). Auf der Unter- oder ggf. Oberseite sollen je 
100nF SMD-Kondensatoren direkt von den Vcc und Vee Pins an die 3 V 
Massefläche gelötet werden (Lötstopplack der Masse/Kühlfläche dazu etwas 
abkratzen). Einen Kondensator von Vcc nach Vss (5V/0V) würde ich erst 
mal weglassen, es müsste sonst ein bedrahteter her. Ziel ist es kurze 
Wege und einen symmetrischen Aufbau zu realisieren. Ob das alles 
einigermaßen HF-tauglich ist weiß ich nicht, dazu fehlt mir das Wissen.

Da ich derartige kurze Anstiegszeit gar nicht messen oder prüfen kann, 
muss ich mich auf die Schaltung verlassen.
Daher die Frage hier im Forum ob das so ein gangbarer Weg ist.

Autor: Zeno (Gast)
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Bist Du Dir sicher das aus dem LM337 was raus kommt?

Autor: Marek N. (bruderm)
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Den Jim-Williams-Pulser kennst du?

Autor: Holger H. (marsmensch)
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Zeno schrieb:
> Bist Du Dir sicher das aus dem LM337 was raus kommt?

Nein da soll was rein. Ist eine Emittergekoppelte Logik (ECL) und laut 
Datenblatt liegt der Ausgang zwischen min. 3,055 V und max. 4,105 V und 
daher fließt über die 50 Ohm Strom nach 3 V ab.

Soweit nach meinem Verständnis - daher ein negativer Spannungsregler.

Autor: Holger H. (marsmensch)
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Marek N. schrieb:
> Den Jim-Williams-Pulser kennst du?

Nein, mache mich mal schlau.
Gibt es da fertige Bauteile etc.
Brauche ein sauberes Rechtecksignal mit konstanten DC-Werten ggf. auch 
"nur" mit 1 Mhz.

Autor: Falk B. (falk)
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Holger H. schrieb:
> Marek N. schrieb:
>> Den Jim-Williams-Pulser kennst du?
>
> Nein, mache mich mal schlau.
> Gibt es da fertige Bauteile etc.

Ja.

AN47a von Linear Technology.

Autor: Hp M. (nachtmix)
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Holger H. schrieb:
> Auf der Unter- oder ggf. Oberseite sollen je
> 100nF SMD-Kondensatoren direkt von den Vcc und Vee Pins an die 3 V
> Massefläche gelötet werden

100nF Kondensatoren sind viel zu groß für solch steile Flanken und 
einzelne Vias haben zu viel Induktivität.
Man nimmt gewöhnlich mehrere Kapazitätswerte gestaffelt und fängt direkt 
am IC mit dem kleinsten (z.B. 10pF) an.

Vorteil der ECL Technik ist, dass wegen des internen symmetrischen 
Aufbaus und des ungesättigten Betriebs keine grossen Stromspitzen auf 
den Versorgungsleitungen auftreten. Diese Symmetrie sollte man nicht 
ohne Not aufgeben.


Holger H. schrieb:
> Schaltung habe ich beigefügt, ich habe alles Gleichstrom gekoppelt
> vorgesehen.

Aber vermutlich hast du noch nicht mit solch schnellen Schaltungen 
gearbeitet. Du wirst mehrere Exemplare aufbauen und aus den Fehlern 
lernen müssen. Papier ist geduldig!

Autor: Bonzo N. (jetztnicht)
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In diesem Falle : der Aufbau macht's Also nichts mit Steckbrett, 
Steifenleiter und dergleichen.

Autor: Falk B. (falk)
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Hp M. schrieb:
> Holger H. schrieb:
>> Auf der Unter- oder ggf. Oberseite sollen je
>> 100nF SMD-Kondensatoren direkt von den Vcc und Vee Pins an die 3 V
>> Massefläche gelötet werden
>
> 100nF Kondensatoren sind viel zu groß für solch steile Flanken und
> einzelne Vias haben zu viel Induktivität.

Diese Aussage ist so allgemein totaler Unsinn!

> Man nimmt gewöhnlich mehrere Kapazitätswerte gestaffelt und fängt direkt
> am IC mit dem kleinsten (z.B. 10pF) an.

Jaja, noch mehr Unsinn. Weil ja auch dein 10pF soo viel bringen!

Es ist schon ein Unterschied, ob man einen alten, bedrahteten oder einen 
SMD 0402er Kondensator verwendet!

Autor: HF MachtNix (Gast)
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Endlich mal wieder ein richtig freaky Thread.

Aber da treten dann gleich die HF-Kampfhähne auf den Plan.

Autor: Gustl B. (-gb-)
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Autor: Henrik V. (henrik_v)
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Den Link wollte ich auch gerade posten
hier der Faden dazu:
https://www.eevblog.com/forum/projects/yet-another-fast-edge-pulse-generator/

Beitrag #5878250 wurde von einem Moderator gelöscht.
Autor: AN47_S.119 (Gast)
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Zitronen F. schrieb:
> der Aufbau macht's Also nichts mit Steckbrett,
> Steifenleiter und dergleichen.

Habe bei der erfolglosen Suche nach einem Bauteil AN47a von Linear 
Technology, nur eine alte Application Note 47 (AN47) zum Thema "High 
Speed Amplifier Techniques" gefunden, Link:

Ich musste etwas schmunzeln nach der Diskussion zum Aufbau und welches 
SMD-Bauteil hier was hingegen eine Welt-Firma Linear Technology für 
Aufbauten in dieser AN47 veröffentlicht hat, vor allem auf den letzten 
Seiten, siehe im Anhang mal drei Beispiele als Bild-Datei. Link: 
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/an47fa.pdf

Der "Fast risetime pulse generator" mit 40 ps von Leo Bodna ist ein 
guter Tip.

Autor: Christian L. (cyan)
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Falk B. schrieb:
> Ja.
>
> AN47a von Linear Technology.

Wobei die Schaltung aus der AN47 zu optimistische Ergebnisse liefert. 
Das ganze wurde auch hier schon diskutiert:
https://www.eevblog.com/forum/blog/eevblog-306-jim-williams-pulse-generator/

Um die Anstiegszeit bestimmen zu können, darf der Puls nicht schon vor 
dem erreichen des Endwertes wieder abfallen. In der AN94 ist die 
Schaltung deswegen um eine Koaxleitung als Transmissionline erweitert 
worden und erzeugt somit einen Rechteckimpuls.

Abgesehen davon muss man gucken, ob man den 2N2369 Transistor noch zu 
kaufen kriegt. Und nicht jedes Exemplar funktioniert in der Schaltung. 
Man muss also probieren.

Autor: nachtmix (Gast)
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Christian L. schrieb:
> Abgesehen davon muss man gucken, ob man den 2N2369 Transistor noch zu
> kaufen kriegt. Und nicht jedes Exemplar funktioniert in der Schaltung.
> Man muss also probieren.

Ich kenne ausser Zetex keinen Hersteller, der regulär 
Avalanche-Transistoren verkauft.
Etliche ältere Si-HF-Transistoren, z.B. für ZF-Stufen, sollen aber auch 
geeignet sein. Das muss man ausprobieren. Dem Vernehmen kann die Eignung 
als AT sogar beim gleichen Transistortyp von Hersteller zu Hersteller 
sehr verschieden sein.

Jedenfalls ist die Kombination von Laufzeitleitung und schnellem 
Schalter ein bewährtes Verfahren um leistungsstarke Rechteckimpulse 
definierter Höhe und Länge herzustellen. Bei Radaranlagen hat man so 
z.B. Speisespannungs-Impulse mit Leistungen im MW-Bereich und 
Impulsdauern von einigen hundert ns hergestellt. (synthetische 
Laufzeitleitung aus L und C, H2-Thyratron als Schalter für > 6kV)

Autor: $$$ (Gast)
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Den Avalancheeffekt als solchen, interessiert das Steckbrett
ueberhaupt nicht. Das ganze ist kein HF-Verstaerker.

Relevant ist allenfalls die Ausleitung des Pulses.

Autor: Gunnar F. (gufi36)
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Ich habe in meiner Studienarbeit Pulse für eine Bildverstärkerröhre 
erzeugt. Forderung ca. 150V mit in etwa 5ns Steigzeit.
Erreicht habe ich das mit einem Avalanchetransistor, der einen MOSFET 
aufschaltet. Der Transistor war ein ordinärer 2N3904. Der Trick ist nur, 
die Energie des Impulses durch eine Ladekapazität (C am Kollektor) so zu 
begrenzen, dass der Transistor ausreichend viele Schaltzyklen schafft.
Ist etwa 30 Jahre her. Doku noch erstellt auf C64 "Printfox" mit 
Pixelgrafik!
Hat auch funktioniert....

Autor: Holger H. (marsmensch)
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Die ersten Bauteile waren in Post, das IC und die Leiterplatte. Schnell 
mal provisorisch zusammengelötet siehe Fotos und direkt für das 
Einstecken am Oszi-Eingang vorgesehen.
Leider habe ich noch keinen Quarzoszillator hier, daher vorerst einen 
Atmega (im Arduino Nano) als Signalgenerator umprogrammiert.

Schaltung funktioniert, Spannungsdifferenz ca. 1,50 V (+/-0,75 V), die 
Amplitudenhöhe ist allerdings sehr unruhig/schwankt.

: Bearbeitet durch User
Autor: Holger H. (marsmensch)
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Am alten Rigol DS1042C (mit DS1102C Firmware) war die Anstiegszeit 
allerdings sehr langsam (6 ns) und nicht schneller als ein Atmega-Pin. 
Am Hameg 408 mit ca. 7 ns Anstiegszeit das gleiche.

Am Rigol DS1054Z sah es dann besser aus, ca. 3 ns Anstiegs- und 
Abfallzeit. Vermutlich ist mein Rigol nicht schneller, obwohl ich schon 
Messungen mit 1,2 ns Anstiegszeit mit einem DS1054Z gesehen habe.

Erste Erkenntnis, das alte Rigol DS1042C bleibt leider ein 40 MHz Oszi 
auch wenn man die Firmware auf 100 MHz umprogrammiert, sehr schade. Das 
Hameg mit ca. 7 ns ist halt auch nur ein 40 MHz Oszi.
Das Rigol DS1054Z hat wohl tatsächlich eine 100 MHz Hardware verbaut.

Zurück zur Schaltung, was die jetzt wirklich leistet kann ich nicht 
messen. Die 3V (5-2V) als Bezugsspannung ist vermutlich überflüssig, 2 x 
470 Ohm nach GND sollte auch funktionieren. Teste ich ggf. noch.
Messungen zwischen Ausgang und 3V sind unsauber, das Spannungsniveau 
schwankt zu stark.

Soweit ein erster Zwischenstand.

Autor: Thomas R. (tinman) Benutzerseite
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Holger H. schrieb:
>
> Zurück zur Schaltung, was die jetzt wirklich leistet kann ich nicht
> messen.


doch, es hätten die jeweiligen Anstiegszeiten der jeweiligen 
Oszilloskope sein müssen, deine Ergebnisse sprechen eine andere Sprache 
- so kann die Schaltung auch nicht funktionieren. Klemme am Eingang 
etwas mit besseren Anstiegszeit.

Autor: GEKU (Gast)
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Wie groß ist die Anstiegszeit, wenn Spannung mit einem Relaiskontakt 
geschaltet wird?
Müsste am Oszilloskop mit Single-Shot messbar sein, oder?

Autor: Arno H. (arno_h)
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GEKU schrieb:
> Wie groß ist die Anstiegszeit, wenn Spannung mit einem Relaiskontakt
> geschaltet wird?
> Müsste am Oszilloskop mit Single-Shot messbar sein, oder?

Tektronix 110 von 1960 hat sowas, aber die quecksilberbenetzten Relais 
dürften heutzutage schwierig zu beschaffen sein.

Arno

Autor: Holger H. (marsmensch)
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Thomas R. schrieb:
> doch, es hätten die jeweiligen Anstiegszeiten der jeweiligen
> Oszilloskope sein müssen, deine Ergebnisse sprechen eine andere Sprache
> - so kann die Schaltung auch nicht funktionieren. Klemme am Eingang
> etwas mit besseren Anstiegszeit.

Rigol DS1042C laut Datenblatt < 8.7ns gemessen ca. 6 ns
Rigol DS1054Z laut Datenblatt < 7ns gemessen ca. 3 ns
Hameg HM408   laut Datenblatt < 8,75ns gemessen ca. 7 ns

Sorry es sind doch alle gemessenen Zeiten unter den spezifizierten 
Anstiegszeiten der entsprechenden Oszilloskope.

Warum soll das IC mit typ. 130 ps (bzw. 70 ps bei reduziertem Pegel) zu 
langsam sein, um die gewünschte 1ns Ansteigszeit zu erhalten?

Wieso kann die Schaltung nicht funktionieren? Bitte um Erläuterung.

Autor: nachtmix (Gast)
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Holger H. schrieb:
> Schaltung funktioniert, Spannungsdifferenz ca. 1,50 V (+/-0,75 V)

Dann wird wohl noch kein Lawinendurchbruch stattfinden, sondern normaler 
Schalterbetrieb.

Typische Betriebsspannungen für Avalanche-Transistoren liegen in der 
Gegend von 60 bis deutlich über 100V, und der Ausgangsimpuls erreicht 
auch fast diese Höhe.
Dabei fliessen etliche Ampere durch den Lastwiderstand.
Wenn die Betriebspannung nur hoch genug ist, kommt es auch ohne 
Triggersignal zu solchen Impulsen.

Wie hoch ist deine Betriebsspannung für den AT?

Autor: Holger H. (marsmensch)
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nachtmix schrieb:
> Wie hoch ist deine Betriebsspannung für den AT?

Ist nur ein SO-8 IC für 3,3 V bzw. 5 V aber trotzdem schnell.

Schaltplan ist oben zu finden, folgend das IC
https://www.mikrocontroller.net/part/MC100EP16
oder ganz genau
https://www.mouser.com/ds/2/308/mc100ep16vs-d-1192652.pdf

Autor: nachtmix (Gast)
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Holger H. schrieb:
> Ist nur ein SO-8 IC für 3,3 V bzw. 5 V aber trotzdem schnell.

Hmm.
Was ist denn aus dieser Forderung geworden?

Holger H. schrieb:
> Nur die geringe Amplitude
> von ca. 0,75V ist für einen 1:100 Tastkopf grenzwertig.

Autor: Alexander S. (alesi)
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Hallo,

auf S. 43 in 
https://cdn.rohde-schwarz.com/hameg-archive/HM1005_deutsch.pdf
gibt es den Schaltplan zum Kallibrator im Hameg HM1005 mit ICs der 74HC 
Reihe.

Autor: Christian L. (cyan)
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Alexander S. schrieb:
> gibt es den Schaltplan zum Kallibrator im Hameg HM1005 mit ICs der 74HC

Laut Datenblatt schafft der Kalibrator aber nur ca 5ns Anstiegszeit und 
ist damit zu langsam für den TO.

Autor: Holger H. (marsmensch)
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Alexander S. schrieb:
> auf S. 43 in
> https://cdn.rohde-schwarz.com/hameg-archive/HM1005_deutsch.pdf
> gibt es den Schaltplan zum Kallibrator im Hameg HM1005 mit ICs der 74HC
> Reihe.

Hameg hat den 1 Mhz Rechteck-Ausgang zum Kalibrieren aber mit "nur" 4 ns 
spezifiziert. Das ist beim HM408 auch schon so. Leider passen da nicht 
alle Tastköpfe so ohne weiteres rein.
Ok, ich werde bei Gelgenheit mit dem Rigol dieses Rechtecksiglan mal 
nachmessen.

4 ns mit schnellen TTL Bauteilen geht noch ohne weiteres aber darunter 
wird es schwierig.

Autor: Holger H. (marsmensch)
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Folgen noch ein paar Ergebnisse mit dem provisorischen Schaltungsaufbau.

Anstiegszeit direkt am Eingang vom Rigol DS1054Z über einen BNC-Adapter 
mit Federzugklemmen jetzt konstant bei 2,2 ns. Mit einem schlecht HF 
angepassten Philips Tastkopf messe ich sogar 1,4 ns. Für ein 50 MHz 
Oszilloskop original im Lieferzustand sind das erstaunlich schnelle 
Messungen und weit besser als die technischen Daten vermuten lassen.

Das alte Rigol DS1042C hingegen kann da keineswegs mithalten, trotz 
Firmwareupdate auf das 100 MHz Modell DS1102C, es ist und bleibt ein 40 
MHz Modell.

Einige Bilder von Messungen mit schnelleren Tastköpfe habe ich 
beigefügt. Die Standard-Ausführung und welche 100 bzw. 150 MHz sind 
deutlich schlechter daher erst gar nicht gezeigt.

Erstaunlich gut schlagen sich die uralten Tektronix Tastköpfe aus dem 
Jahr 1977 mit angeblich nur 50 MHz und sogar 2m Kabellänge. Die lassen 
alles an modernen Standard-Tastköpfen alt aussehen. Sie sind mir schon 
immer aufgefallen, dass sie die Kurvenformen am wenigsten verzerren, 
demnach über alle Frequenzen sehr gut abgeglichen sind und das über 40 
Jahre.

Auch der 100x Philips-Tastkopf ist sicherlich schon uralt. Mit nur 2pF 
bei 20 MOhm, 1,2ns Anstiegszeit und 4 kV Spannungsfestigkeit mal was 
Außergewöhnliches. Allerdings muss ich seine 3 Potis und 3 
Trimmkondensatoren noch richtig abgleichen.

Somit bin ich schon einmal recht zufrieden, ich hoffe dass mit einem 
sauberen Aufbau alles noch etwas besser wird.

Autor: GEKU (Gast)
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Arno H. schrieb:
> Tektronix 110 von 1960 hat sowas, aber die quecksilberbenetzten Relais
> dürften heutzutage schwierig zu beschaffen sein.

 The 110 produces pulses with rise time under 250 ps using a mercury 
switch.

 http://w140.com/tekwiki/wiki/110

Autor: Holger H. (marsmensch)
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Da die Amplitude bei meinem Aufbau sehr unruhig schwankte, habe ich eine 
einfachere Schaltung aufgebaut, ohne 3V (5V-2V), so wie als Alternative 
im Datenblatt mit Ausgängen über 470 Ohm gegen GND. Das Signal hat dann 
natürlich einen deutlichen Gleichspannungsoffset von ca. 3V.

Das Differenzsignal der Ausgänge Q - Q’ ist nicht so sauber (Bild1) im 
Vergleich zur Messung Ausgang Q’ gegen GND (Bild 2). Die Abfallzeit ist 
dann vom Lastwiderstand abhängig und daher hier nicht weiter beachtet. 
Bild 3 zeigt das Signal über den Philips Tastkopf 1:100.

Eine deutliche Schwingung an der Flanke macht das Signal unsauber, keine 
Ahnung wo die herkommt. Je schneller die Abfallzeit wird, desto 
symmetrischer taucht der Überschwinger auch hier auf. Widerstände in 
kleinerer Bauform und direkt nach GND auf der Oberseite haben keinerlei 
Einfluss.

Mein Messequipment ist hier auch absolut am Ende, Anstiegszeiten von 1,3 
ns mit einem 50 Mhz Oszi gemessen, hier könnte für den Überschwinger 
auch das Messgerät selbst verantwortlich sein.

Das Ergebnis für so einen einfachen Aufbau kann sich nach meine Meinung 
trotzdem sehen lassen.

Autor: Holger H. (marsmensch)
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Nach einigen Umbauten und Tests habe ich das Projekt jetzt erst mal 
abgeschlossen. Folgend noch ein paar Bilder. Direkt am BNC Eingang liegt 
die Anstiegszeit jetzt bei ca. 3,2 ns was in etwa der Anstiegszeit für 
ein 100 MHz Oszi entspricht. Mit einem HF-Tastkopf 1:10 reduziert sich 
die Anstiegszeit auf 2,2 ns und mit dem 1:100 HF-Tastkopf auf 1,6 ns was 
dann auch der üblichen Grenze für eine 1 ns Abtastintervall entspricht. 
Wie schnell die Schaltung wirklich ist kann ich nicht messen. Die 
Amplitude liegt bei ca. +/- 0,8 V.

Den vereinfachten Schaltplan habe ich beigefügt und Fotos von der 
Leiterplatte. Der Aufbau ist wirklich sehr simpel. Der Widerstand R3 
dient zur Terminierung der Quelle vor allem bei Verwendung von 50 Ohm 
Koaxialkabel usw. Er reduziert aber ggf. auch die Anstiegszeiten. 
Solange keine Rückkopplungen stören kann er weggelassen werden.

BNC Kabel und BNC Stecker habe ich mal getestet, bringt aber nichts, 
erhöht nur die kapazitive Belastung und Rückkopplung. An einem 50 Ohm 
Messeingang ist das sicherlich etwas anders.

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