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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Ersatztyp für 2N709 - schneller NPN Schalttransistor


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von Tim  . (cpldcpu)


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Ich bin auf der Suche nach einem sehr schnellen NPN Schalttransistor - 
vergleichbar zum 2N709, idealerweise im SOT23 Package.

Dieser Typ ist sehr geschichtsträchtig. Er wurde 1964 in der RTL-Logik 
des ersten erfolgreichen Supercomputers eingesetzt, der CDC6600:

https://www.computerhistory.org/siliconengine/silicon-transistor-exceeds-germanium-speed/
http://ygdes.com/CDC/DesignOfAComputer_CDC6600.pdf

Ich spiele gerade etwas mit diskreter RTL/DTL Logik herum und versuche 
diese zu optimieren. Mir ist aufgefallen, dass bei vielen Projekten im 
Netz völlig ungeeignete Kleinsignaltransistoren genutzt werden. (BC847 
etc.)

Interessanterweise gibt es kaum moderne Typen, die an die Eigenschaften 
der historisch verwendeten Devices herankommen.

2N709 Datenblatt:
https://www.web-bcs.com/pdf/Tx/2N/2N709.pdf
http://njsemi.com/datasheets/2N709.pdf

Kritische Parameter:
 - Ccb ~2pF
 - Ausschaltzeit <=15nS
 - hfe <100

Der geeignetste aktuelle Typ schein der PMBT2369/MMBT2369 zu sein. 
Dieser erreicht aber nur 20nS und Ccb~4pF. Es gibt HF-Transistoren mit 
deutlich höheren Transitfrequenzen und kleineren Kapazitäten, allerdings 
sind diese nicht auf kurze Abschaltszeiten optimiert.

Ideen?

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von Udo K. (udok)


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Geschwindigkeit erreichst du mit nichtsättigender ECL Logic,
die hat diskret aufgebaut nur Vorteile abgesehen vom Leistungsverbrauch.

Mit den schnuckeligen Infineon Transistoren mit ft=85 GHz sollte da
schon > 5 GHz Schaltfrequenzen machbar sein...

: Bearbeitet durch User
von Tim  . (cpldcpu)


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Ich stecke aber gerade noch in den 60er Jahren fest, ECL kam erst in den 
70ern :) Aber ja, damit kann man das Sättigungsproblem natürlich 
umgehen. Und dank Differentialeingang wird die noise margin auch viel 
besser.

ECL ist diskret allerdings etwas mühsam, da man relativ viele Bauteile 
pro Gatter braucht. Die Cray I hat dafür ja auch schon ICs verwendet.

: Bearbeitet durch User
von jan (Gast)


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Für den 2N708 , mit dem ich damals gerne UKW-Oszillatoren gebaut habe, 
kann man aus meiner Erfahrung problemlos den 2N108 einsetzen. Der 
2N108 ist sozusagen die DDR-Variante des 2N708.

Vielleicht ist das beim 2N709 ähnlich und es gibt eine DDR-Variante 
2N109, die man noch irgendwo gut als Restposten bekommt...

2N109 Datasheet (PDF):
https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/1164016/ETC1/2N109.html



(aber Achtung, der 2N708 ist Si, der 2N709 dagegen Ge - solche 
Ge-Substrate neigen mit der Zeit zur kristallinen Umstrukturierung und 
sind dann nicht mehr funktionstüchtig. Habe schon so einige neue Ge-Ts 
gekauft, die über Jahrzehnte gelagert waren und nicht mehr funktioniert 
haben)

von Jörg W. (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite


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jan schrieb:
> Der 2N108 ist sozusagen die DDR-Variante des 2N708.

Huh?

Die DDR-Varianten hießen SF136 und SF137. Inwiefern sie allerdings 
hinsichtlich der Anforderungen des TE ausreichend kompatibel sind, weiß 
ich nicht.

In der Bucht bekommt man noch SF137 im Gegenwert des Goldpreises (5 
Stück für EUR 5,90).

von michael_ (Gast)


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SF 136 hat zu geringe Grenzfrequenz.
Als einziger HF-Transistor käme nur der SF245 mit 780MHz in Frage.

Aber für solche Schaltungen wurden Schalttransistoren eingesetzt.
Leider finde ich da für die DDR-Typen SS106 - SS109 keine Grenzfrquenz.
Aber Ein- und Ausschaltzeiten.

In meinem Datenbuch stehen als Ersatz für den 2N709

2SC2811, 2N706A, BSX44, 2N2475, BSX27

von Mark S. (voltwide)


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der PMBT2369/MMBT2369 (2N2369) ist wohl der einzige schnelle Schalter 
aus der "guten alten Zeit" der heute noch zu haben ist. Der wurde gerne 
auch als analoger Videosignaltreiber eingesetzt.

von Tim  . (cpldcpu)


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michael_ schrieb:
> SF 136 hat zu geringe Grenzfrequenz.
> Als einziger HF-Transistor käme nur der SF245 mit 780MHz in Frage.
>
> Aber für solche Schaltungen wurden Schalttransistoren eingesetzt.

Genau, eine hohe Grenzfrequenz reicht nicht aus. Wichtig ist eine 
geringe Diffusionskapazität, welche sich in einer schnell toff äußert. 
Früher hat man dazu Gold diffundiert, siehe auch Artikel oben.

> In meinem Datenbuch stehen als Ersatz für den 2N709
>
> 2SC2811, 2N706A, BSX44, 2N2475, BSX27

Danke! Anscheinend braucht man auch für die schon Ersatztypen. Zumindest 
habe ich kein aktuellen äquivalent im SOT23 package gefunden.

Ich werde wohl beim PMBT/MMBT2369 bleiben. Der ist gut erhältlich, und 
immerhin komme ich damit schon auf ein tprop von <5ns.

Werde parallel mal den MMBTH10L-4 testen. Das ist ein günstiger 
HF-Transistor mit sehr niedriger Kapazität und ft=800 MHz. Wird aber 
wahrscheinlich schlechtere Schalteigenschaften haben.

Habe übrigens einen Anbieter gefunden, der den 2N709 noch im Angebot 
hat:
https://www.centralsemi.com/legacy-devices

Preislich wahrscheinlich aber für Basteleien nicht interessant. Ich will 
auch SMD.

von Tim  . (cpldcpu)


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Mark S. schrieb:
> der PMBT2369/MMBT2369 (2N2369) ist wohl der einzige schnelle Schalter
> aus der "guten alten Zeit" der heute noch zu haben ist. Der wurde gerne
> auch als analoger Videosignaltreiber eingesetzt.

So sieht es wohl aus. Immerhin gibt es den noch von Nexperia und Onsemi 
für ~$0.02. Hoffen wir, dass die ihr Portfolio von Schalttransistoren 
noch behalten. Infineon scheint ihres gerade abgekündigt zu haben.

von Tim  . (cpldcpu)


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Einen habe ich noch gefunden, den BSV52.

https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/BSV52.pdf

Hat allerdings das gleiche Spice-Model, wie der PMBT2369. Wahrscheinlich 
also der gleiche Typ, nur unter andere Teilnummer vermarktet.

von michael_ (Gast)


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Den BSX27 gibt es auch.

Ebay-Artikel Nr. 312573117499

Wenn du HF-Typen nimmst, achte auf niedrige Stromverstärkung.
Die sind im Schalterbetrieb besser.

von Lothar J. (black-bird)


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Von den DDR-Typen ist der SS219 geeignet, als SMD: SSE219.

Blackbird

von äxl (Gast)


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SS109 aus DDR-Beständen?
(oder wie "just eben" genannt der 219er)

von Udo K. (udok)


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Tim  . schrieb:
> Ich stecke aber gerade noch in den 60er Jahren fest, ECL kam erst in den
> 70ern :) Aber ja, damit kann man das Sättigungsproblem natürlich
> umgehen. Und dank Differentialeingang wird die noise margin auch viel
> besser.
>
> ECL ist diskret allerdings etwas mühsam, da man relativ viele Bauteile
> pro Gatter braucht. Die Cray I hat dafür ja auch schon ICs verwendet.

Die 60  waren in der Hinsicht keine grosse Erleuchtung.

Du landest mit den Konzepten bei irgendwelchen 0.1-2 MIPS, mit einem
schnellen Transistor sind es dann vielleicht 1-5 MIPS und viel
mehr CO2.

Ich würde aber gleich eines dieser Transistorarrays von
Intel oder Xilinx nehmen, da bekommst du 1-2 Milliarden GHz
Transistoren für wenig Geld.

von michael_ (Gast)


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äxl schrieb:
> SS109 aus DDR-Beständen?
> (oder wie "just eben" genannt der 219er)

Die werden trotzdem nicht genügen.
Sie sind die gleiche Serie wie die SF136 mit ihren "nur" 300MHz.

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Tim  . schrieb:
> Habe übrigens einen Anbieter gefunden, der den 2N709 noch im Angebot
> hat: https://www.centralsemi.com/legacy-devices
>
> Preislich wahrscheinlich aber für Basteleien nicht interessant. Ich will
> auch SMD.

Wenn du ohnehin nur bastelst: Pollin verkauft BFR93A in SOT-323 für 
€0,025 (10 Stück für 25¢). Das sind zwar keine ausgewiesenen 
Schalttransistoren, aber mit einer Grenzfrequenz von 6GHz wären sie wohl 
einen Versuch wert.

von Peter D. (peda)


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Tim  . schrieb:
> Er wurde 1964 in der RTL-Logik
> des ersten erfolgreichen Supercomputers eingesetzt, der CDC6600:

Wenn es auf Geschwindigkeit ankommt, nimm doch DTL (Vorläufer des 
Multiemitter-Transistors in TTL).

von Tim  . (cpldcpu)


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Udo K. schrieb:
> Die 60  waren in der Hinsicht keine grosse Erleuchtung.
>
> Du landest mit den Konzepten bei irgendwelchen 0.1-2 MIPS, mit einem
> schnellen Transistor sind es dann vielleicht 1-5 MIPS und viel
> mehr CO2.

Die CDC6600 hatte immerhin eine Taktfrequenz von 10 MHz und 3 MFLOPS. 
IBM hat fünf Jahre gebraucht, um aufzuholen.

> Ich würde aber gleich eines dieser Transistorarrays von
> Intel oder Xilinx nehmen, da bekommst du 1-2 Milliarden GHz
> Transistoren für wenig Geld.

Hm... oder doch lieber ein Emulator in 20 Zeilen Python? Nene, der Weg 
ist das Ziel :)

Peter D. schrieb:
> Wenn es auf Geschwindigkeit ankommt, nimm doch DTL (Vorläufer des
> Multiemitter-Transistors in TTL).

DTL ist etwas langsamer als RTL. Der Vorteil ist vor allem die deutlich 
bessere Robustheit.

michael_ schrieb:
> Den BSX27 gibt es auch.

äxl schrieb:
> SS109 aus DDR-Beständen?
> (oder wie "just eben" genannt der 219er)

Axel S. schrieb:
> Wenn du ohnehin nur bastelst: Pollin verkauft BFR93A in SOT-323 für
> €0,025 (10 Stück für 25¢). Das sind zwar keine ausgewiesenen

Danke für die Tips zu HF-Transistoren. Ich werde mal einen ausprobieren. 
Ich vermute aber dass das Abschaltverhalten generell nicht sehr gut ist. 
Helfen könnte höchstens die kleinere Fläche der BC junction.

von HF Pfuscher (Gast)


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Tim  . schrieb:
> Ich vermute aber dass das Abschaltverhalten generell nicht sehr gut ist.
> Helfen könnte höchstens die kleinere Fläche der BC junction.

Beschreib doch mal genauer das Ziel das du verfolgst statt
hier ewig zu sinnieren ob dieser oder jene Transistor noch
ein paar zehntel Pikofarad weniger Ccb hat.

Den altehrwürdigen 2N2369 gab es schon vor mindestens 35
Jahren und es wird schon seinen Grund haben warum er immer
noch produziert wird bzw erhältlich ist.

In meiner Simulation kann ich mit diesem Teil jedenfalls
bei 100 MHz immer noch verstärken und einen Spannungshub
von annähernd 5V erzeugen (Ft = 500 MHz laut Datenblatt).

von René F. (therfd)


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Waren Bipolar-Transistoren im Inversbetrieb nicht sogar noch schneller 
als im Normalbetrieb?

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von Udo K. (udok)


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Tim  . schrieb:
> Udo K. schrieb:
>> Die 60  waren in der Hinsicht keine grosse Erleuchtung.
>>
>> Du landest mit den Konzepten bei irgendwelchen 0.1-2 MIPS, mit einem
>> schnellen Transistor sind es dann vielleicht 1-5 MIPS und viel
>> mehr CO2.
>
> Die CDC6600 hatte immerhin eine Taktfrequenz von 10 MHz und 3 MFLOPS.
> IBM hat fünf Jahre gebraucht, um aufzuholen.

Na, da habe ich ja gut geschätzt :-)


>> Ich würde aber gleich eines dieser Transistorarrays von
>> Intel oder Xilinx nehmen, da bekommst du 1-2 Milliarden GHz
>> Transistoren für wenig Geld.
>
> Hm... oder doch lieber ein Emulator in 20 Zeilen Python? Nene, der Weg
> ist das Ziel :)

Gerade die Entscheidung welchen Weg man im Leben gehen möchte,
gehört zu den wichtigsten überhaupt.

Du strotzt vor Tatendrang,
es gäbe viele lohnenswerterere Ziele, als Steinzeittechnik auszugraben.

> Peter D. schrieb:
>> Wenn es auf Geschwindigkeit ankommt, nimm doch DTL (Vorläufer des
>> Multiemitter-Transistors in TTL).
>
> DTL ist etwas langsamer als RTL. Der Vorteil ist vor allem die deutlich
> bessere Robustheit.

Mein Vorschlag:

Mach eine abgespeckte ECL Logik mit einer Mischung aus
abwechselnd NPN und PNP Differenzverstärkern,
praktisch ECL ohne die Ausgangsbuffer.

Damit brauchst du pro NAND Gatter 3 Transistoren, und bist trotzdem
um einen Faktor 10 schneller als der alte Rotz.
Und das mit 2N3904 Doppeltransistoren im SOT-363 Gehäuse...

: Bearbeitet durch User
von Tim  . (cpldcpu)


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HF Pfuscher schrieb:
> Tim  . schrieb:
>> Ich vermute aber dass das Abschaltverhalten generell nicht sehr gut ist.
>> Helfen könnte höchstens die kleinere Fläche der BC junction.
>
> Beschreib doch mal genauer das Ziel das du verfolgst statt
> hier ewig zu sinnieren ob dieser oder jene Transistor noch
> ein paar zehntel Pikofarad weniger Ccb hat.

Das hatte ich oben schon relativ genau beschrieben. Der relevante 
Parameter ist die Abschaltzeit toff. Dieser ist für Schalttransistoren 
speizifiert, aber nicht für HF-Transistoren. toff hängt nur indirekt mit 
ft zusammen.

Die Abschaltzeit wird im Wesentlichen durch die Diffusionskapazität der 
Basis, bzw. CB Junction beeinflusst. Um diese zu verringern muss man die 
Fläche der CB Junction reduzieren - das passiert in HF Transistoren 
bereits. Zusätzlich muss die Minoritätslebensdauer reduziert werden. Das 
wird im 2N709 durch eine Golddiffusion erreicht (siehe Artikel oben). In 
moderneren Devices wird es dazu sicherlich auch andere Ansätze geben 
(H-Implant?).

Schnelle Schalttransistoren sind daher nicht identisch mit HF 
transistoren, auch wenn es hier viel Überlapp gibt.

> Den altehrwürdigen 2N2369 gab es schon vor mindestens 35
> Jahren und es wird schon seinen Grund haben warum er immer
> noch produziert wird bzw erhältlich ist.
>
> In meiner Simulation kann ich mit diesem Teil jedenfalls
> bei 100 MHz immer noch verstärken und einen Spannungshub
> von annähernd 5V erzeugen (Ft = 500 MHz laut Datenblatt).

Ja, nach meinem Simulation ist er auch die beste Wahl. Hat sich wohl als 
Kompromiss über die Zeit durchgesetzt. Der 2N709 ist auf dem Papier noch 
etwas schneller, aber es gibt wohl andere Nachteile - vom TO-Gehäuse mal 
abgesehen.

Im Anhang eine Simulation eines 5 stufigen Ringoszillators mit PMBT2359. 
Mit den gezeigten Werten kommt man auf 16.3Mhz, was einer tdp von 6.1ns 
entspricht. MIt rb=60Ohm und Rl=800 Ohm erreicht man 30.6MHz/3.27ns. 
Damit erreicht man also die für die CDC6600 proklamierten 3ns tpd. 
Immerhin mit dem halben Stromverbrauch (4.8mA statt 10mA). Trotzdem 
beeindruckend, dass hier in 50 Jahren kein größerer Sprung erfolgt ist.

Udo K. schrieb:
> Mein Vorschlag:
>
> Mach eine abgespeckte ECL Logik mit einer Mischung aus
> abwechselnd NPN und PNP Differenzverstärkern,
> praktisch ECL ohne die Ausgangsbuffer.
>
> Damit brauchst du pro NAND Gatter 3 Transistoren, und bist trotzdem
> um einen Faktor 10 schneller als der alte Rotz.
> Und das mit 2N3904 Doppeltransistoren im SOT-363 Gehäuse...

Interessante idee. Muss ich mir bei Gelegenheit mal anschauen. Du meinst 
in dieser Art: ?

https://en.wikipedia.org/wiki/Emitter-coupled_logic#/media/File:CurrentSwitchLogic.svg

https://en.wikipedia.org/wiki/Emitter-coupled_logic#History

: Bearbeitet durch User
von Udo K. (udok)


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Ja so in etwa.  Wie ich sehe, stammt die Idee ja auch aus den
50'ern.  Damals gabe es halt keine brauchbaren PNP.

von OldMan (Gast)


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Evt. könnte der BFQ67W für Dich interessant sein. Ccb 0,4 pF, Cce 0,2 
pF, hfe 100.
8 GHz, SOT 23
Kostet fast nix.

von Peter D. (peda)


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Tim  . schrieb:
> Der relevante
> Parameter ist die Abschaltzeit toff.

Um die zu verringern, hatte man bei RTL eine negative Ausräumspanng von 
-3V über einen Widerstand an die Basis gelegt.
In einer DDR-Schaltung hatte ich für RTL -3V, +3V und +6V als Versorgung 
gesehen.
Die Zähler mit Transistoren SS218 schafften 5MHz.

: Bearbeitet durch User
von Tim  . (cpldcpu)


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Ihr habt mich nicht vor dem Projekt retten können. Es ist jetzt der PMBT 
2369 geworden. Mal schauen, ob das Board auch funktioniert. Es ist 
aktuell im Versand.

Setze für das nächste Design gerade auf Transistoren im SC-75 package, 
dann passt die Logikdichte auch.

von Tim  . (cpldcpu)


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p.s. Die anderen Transistorkandidaten untersuche ich noch - meine 
Bestellung ist noch nicht angekommen.

von Udo K. (udok)


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Schaltplan?

von S.I. (Gast)


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Tim  . schrieb:
> - Ausschaltzeit <=15nS

Seit wann werden Schaltzeiten in der selben Einheit wie Leitfähigkeit 
gemessen?

von Tim  . (cpldcpu)


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Udo K. schrieb:
> Schaltplan?

Das ist ein Slice. Auf dem PCB oben sind 4 Stück davon. Das Design nutzt 
allerdings DTL.

von Tim  . (cpldcpu)


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Hier ein neueres Design in RTL. Dadurch, dass hier jeder Biaswiderstand 
angepasst werden muss, konnte ich nur bedingt auf hierarchisches Design 
zurück greifen.

Ich verwende hier allerdings nicht die PMBT2369, sondern 
Logiktransistoren (DTC123). Diese sind langsamer, haben aber den Vorteil 
auch in extrem kleinen Gehäusevarianten zur Verfügung zu stehen. 
Außerdem ist der Basiswiderstand schon integriert. Schneller als BC847, 
3904 etc... sind sie trotzem.

Das Design habe ich in LTSPICE verifiziert.

Das Assembly macht JLCPCB. Auf die Löterei hatte ich keine Lust. Die 
Kosten liegen pro PCB mit Assembly und Bauteilen bei ca. USD 5(!). 
Ziemlich absurd...

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