Wandeln Sie den TTL-Ausgang des Logik-IC in einen Ausgang um, der 50-Ohm-Geräte ansteuern kann

Ich möchte Triggersignale auf der Vorderseite mit dem Mikrocontroller in meinem Gerät bereitstellen. Das Triggersignal wird über ein 50-Ohm-Koaxialkabel zu einem anderen Gerät mit einem 50-Ohm-Eingang geleitet.

Eine direkte Verbindung würde die digitalen Ausgangspin-Treiber des Controllers überlasten, daher suche ich nach so etwas wie einem Pufferverstärker-IC. Ich möchte diesen Triggerausgang auch etwas idiotensicher machen: Kurzschließen sollte nichts zerstören. Meine Idee war, einen Widerstand in Reihe mit dem Endausgang zu schalten, mit einem Widerstand, der ausreicht, um den Strom in einer Kurzschlusssituation auf die absolute maximale Nennleistung des Endtreibers zu begrenzen. Dieser Widerstand sollte natürlich klein sein, um bei richtig angeschlossenen 50 Ohm Geräten noch möglichst viel Spannungsabfall zu haben. Ist der Vorwiderstand der richtige Ansatz, um den Ausgang hart kurzschlussfest zu machen (PTC-Sicherungen sind dafür zu langsam, nehme ich an)? Wenn jemand ein 1-MOhm-Gerät anschließt, möchte ich außerdem, dass der Triggerimpuls rechtzeitig ausgeschaltet wird.

Bisher habe ich diese drei Ideen für Verstärker/Treiber:

  • Verwenden Sie einen einfachen Transistor, um mehr Strom fließen zu lassen. Zum Beispiel hat BC337 eine maximale Nennleistung von 500 mA und scheint eine gute Anstiegs- / Abfallzeit zu haben. Verbinden Sie den Kollektor mit VCC, die Basis über einen Widerstand mit dem Mikrocontroller-Pin und den Emitter (über einen idiotensicheren Widerstand) mit dem Ausgang BNC. Scheint zu einfach, was ist los? Ich vermute, das Problem wird bei 1-MOhm-Geräten auftreten, da es keinen Pulldown gibt. Sobald der Trigger hoch ist, würde es einige Zeit dauern, bis er allein über 1 MOhm niedrig wird, ist das richtig? Verwenden Sie möglicherweise eine Emitterfolgerkonfiguration mit etwa 10 kOhm, um schnellere Übergänge zu niedrig zu ermöglichen?
  • Verwenden Sie den Leitungstreiber SN54ABT126, der fast so aussieht, als wäre er für das konzipiert, was ich tun möchte. Aber die maximale Stromabgabe auf High-Pegel beträgt -32 mA, was für 50 Ohm + idiotensicheren Widerstand nicht ganz reicht, wenn ich mich nicht irre. Ich habe keine anderen Geräte gefunden, die deutlich höhere Ströme liefern können. Sie scheinen alle dafür optimiert zu sein, hohe Ströme in niedrigen Pegeln zu versenken, anstatt in hohen ...
  • Verwenden Sie ein Darlington-Array wie ULN200x. Dies scheint der einfache Ausweg zu sein, um höhere Ströme mit digitalen Ausgangspins zu steuern, aber ihre Timing-Spezifikationen sind nicht so groß (~ µs). Außerdem könnten sie das gleiche Problem mit verzögerten High-Low-Übergängen haben wie der BC337-Vorschlag oben?

Ich hätte gerne Kommentare zu diesen drei Ideen, sowie natürlich "wie man es richtig macht".

Einige Informationen, die interessant sein könnten: Ich strebe Schaltzeiten (und Anstiegs-/Abfallzeiten) unter 100 ns an, wenn ein 50-Ohm-Gerät angeschlossen ist. Ich habe VCC +5V leicht verfügbar und mit etwas zusätzlichem Aufwand +6 V und +12 V. Ich brauche zwei Triggerausgänge, daher möchte ich Puffer-ICs mit> 8 Kanälen vermeiden. Ich möchte am 50-Ohm-Gerät einen hohen Pegel von> = 3 V erreichen (das sollte jedes Gerät richtig auslösen, oder?)

Ein einfacher Schaltplan würde viel dazu beitragen, diese Frage leichter zu verfolgen.
Muss das Signal in das andere Gerät 5 V TTL sein? Wenn nicht, habe ich einen spannungsgeteilten und quellenterminierten Antrieb verwendet, sodass Sie für nur ein 1-Volt-Signal einen 200-Ohm-Vorwiderstand und dann 50 Ohm gegen Masse verwenden könnten. Coax out verbindet sich mit dem Knoten zwischen den beiden R's. (Muss ich ein Bild zeichnen?) Dies sollte auch Ihre Bedenken beseitigen, dass jemand den Ausgang kurzschließt ... Und jetzt sind die aktuellen Anforderungen bescheidener. ~20mA für die oben genannten. (Hinweis: Wenn der Eingang auf der anderen Seite ebenfalls mit 50 Ohm terminiert ist, erhalten Sie nur 0,5 V, aber das kann immer noch ausreichen.)
Sind Sie sicher, dass die Impedanz des Triggereingangs Ihres Geräts 50 Ohm beträgt? Die meisten Triggereingänge sind TTL-kompatibel und daher hochohmig, es sei denn, Sie setzen dort einen 50-Ohm-Terminator ein. Die Belastung durch das 50Ohm Koax ist vernachlässigbar. Ich verwende einen Arduino Uno, um 5V-Triggereingänge einiger Geräte (Funktionsgenerator, Spektrumanalysator) direkt anzusteuern - keine Probleme, außer Jitter des Arduino (<100µs), was für mich akzeptabel ist. Die Anstiegsgeschwindigkeit beträgt 1 ns/V. Ich habe keinen Kurzschlussschutz, aber 150 Ohm in Reihe sollten es tun.

Antworten (4)

Sie könnten einen MOSFET-Treiber wie den TC4427 mit einem 47-Ω-Vorwiderstand verwenden. Der Widerstand begrenzt die Leistung ausreichend, um den Ausgang zu schützen.

Beachten Sie, dass bei einem 50-Ω-Ausgangswiderstand die Spannung an einem hochohmigen Eingang doppelt so hoch ist wie an einem 50-Ω-Eingang.

Was Sie wirklich brauchen, hängt von dem Gerät ab, das das Signal als Eingang verwendet.

Danke für den Hinweis auf die Existenz von MOSFET-Treibern. Ich werde auf jeden Fall ein paar TC4427 kaufen und ausprobieren, sie scheinen genau wie TTL-Puffer/Leitungstreiber mit höheren Nennströmen zu sein. Mir ist bewusst, dass 50-Ohm-Ausgänge den doppelten Spannungsabfall bei HighZ-Lasten verursachen, aber das sollte jeder Benutzer meines Geräts erwarten, wenn es als 50-Ohm-Ausgang spezifiziert ist :).
Gemäß ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21422D.pdf , Abbildungen 2-9 und 2-12, sollten Sie einen 35-Ohm-Widerstand verwenden, da der Ausgangswiderstand bei einer 5-Volt-Versorgung 15 Ohm beträgt. Beachten Sie jedoch, dass der Ausgangswiderstand bei 10 mA Ausgangsstrom angegeben ist und wahrscheinlich mit zunehmendem Strom ansteigt, sodass der optimale Widerstandswert beim Ansteuern von 50-Ohm-Lasten geringer sein kann.
starblue / @WhatRoughBeast: Ich habe den Triggerausgang mit einem MOSFET-Treiber implementiert, wie Sie vorgeschlagen haben. Ich verwende den TC1410N , der in der Lage sein sollte, 500 mA Spitze zu liefern. Ich verwende einen 12-Ohm-Vorwiderstand, der den Kurzschlussstrom auf etwa 420 mA begrenzen sollte. Ich habe eine Amplitude von 5 V * 50 Ohm / (50 Ohm + 12 Ohm) = 4 V bei 50-Ohm-Geräten erwartet, aber ich messe nur 2,4 V an meinem 50-Ohm-Oszilloskop. Übersehe ich etwas? (Schaltung: i59.tinypic.com/212tzr5.jpg )
Fortsetzung: Unter Berücksichtigung des TC1410-Ausgangswiderstands von 22 Ohm (laut Datenblatt sind 16 typisch, 22 max.) sollte ich 3 V erhalten. Nun stellt sich die Frage, ob ich die externen 12 Ohm ganz weglassen und den internen Ausgangswiderstand des TC1410 als "kurzschlussfest" verwenden soll. Würde das funktionieren, oder würde es den TC1410 kaputt machen?
@DerManu Hast du dieses Problem am Ende gelöst? Ich stand vor kurzem ungefähr vor der gleichen Frage, daher würde mich interessieren, wie Sie die Dinge letztendlich gelöst haben.

ETA - Bedauerlicherweise muss ich das Folgende (in Bezug auf Option 1) für falsch erklären . Nach weiterem Nachdenken bin ich zu dem Schluss gekommen, dass der grundlegende Ansatz die Anforderung zum Treiben einer 1-MOhm-Last nicht erfüllt und nicht dazu gebracht werden kann. Diese netten Seelen, die mich positiv bewertet haben, sollten es sich wahrscheinlich noch einmal überlegen.

Mit Ihren Anforderungen sollte dies ziemlich einfach sein.

1 - Option A. Sie können dies problemlos tun, aber Sie müssen einen PNP-Transistor verwenden, keinen NPN.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Zu beachten ist, dass dieser Treiber das Signal invertiert. Außerdem sollte der Eingang wirklich eine Höhe von 5 Volt liefern. Wenn Sie möchten, können Sie R2 ein wenig reduzieren, um die Hochpegelspannung zu erhöhen, aber je mehr Sie dies tun, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Transistor versehentlich zerstört wird, wenn Sie den Ausgang gegen Masse kurzschließen (dies kann leicht passieren, wenn Sie ihn anschließen). seine Last, während der Ausgang aktiv ist.)

ETA - Ich habe vergessen, auf die Anforderung einzugehen, dass die Schaltung eine Last mit hoher Impedanz (1 MOhm) treiben kann. Mein Fehler. Dies kann mit einer etwas nicht standardmäßigen Herangehensweise an das, was TTL steuern kann, erfolgen.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung

Dies benötigt 6 Volt, um 3 Volt Ausgang an 50 Ohm zu bringen, und treibt eine hochohmige Last auf 6 Volt und treibt die hochohmige Last mit wenig Klingeln unter Verwendung von 50-Ohm-Koax (da der Ausgang jetzt quellenterminiert ist). bis 50 Ohm). Wenn die 6 Volt in 1 Meg nicht akzeptabel sind, kann die 6-Volt-Versorgung auf 5 reduziert werden, aber dann geht die 50-Ohm-Last nur auf etwa 2,4 Volt. Die hinzugefügte Spannung am TTL-Eingang sollte durch die Kombination aus Basiswiderstand und Diode sicher begrenzt werden. Fast alle TTL werden damit elegant umgehen.

Heh - Eigentlich ist dies ein gutes Beispiel dafür, wie Designs einfach beginnen und dann immer komplexer werden.

Option 2 - Das ist einfach. Einfach die 4 Geräte in jedem Paket parallel schalten. Die Gesamtstromkapazität beträgt ~120 mA, was reichlich ist. Dieser Ansatz funktioniert, weil die 4 Kanäle in einem Paket in Bezug auf das Verhalten alle ziemlich gut aufeinander abgestimmt sind und thermisch verbunden sind, sodass ein Kanal nicht heißer als die anderen werden und anfangen kann zu hacken. Sie könnten wahrscheinlich mit der Verwendung von nur 2 Kanälen davonkommen, wodurch Sie Treiber im Wert von 2 Signalen aus einem einzigen Paket erhalten.

Option 3 - Entschuldigung, Ihre Befürchtungen sind berechtigt, und es wird "schwierig" für so etwas wie ein ULN2003 sein, so zu funktionieren, wie Sie es möchten.

Bitte verzeihen Sie meinen Wagemut, aber sollte der Treiber nicht an allen Arbeitspunkten eine Ausgangsimpedanz von ungefähr 50 Ohm haben? ... EDIT: Nein, das ist irrelevant.
Nun, es ist nicht ganz irrelevant, und ich bin froh, dass Sie das angesprochen haben. Für beste Ergebnisse ist es wahr, dass eine angepasste Quellenimpedanz erwünscht ist. In diesem Fall begrenzt eine angepasste Impedanz bei Verwendung einer 5-Volt-Versorgung das empfangene Hoch auf 2,5 Volt. In der PNP-Schaltung hätte R2 50 Ohm betragen können, aber ich akzeptierte die Abweichung der Quellenimpedanz als Kompromiss, um einen höheren Spannungshub zu erzielen. In der Praxis spielt es für Logiksignale keine Rolle.
@WhatRoughBeast Danke für deine Antwort, es war ziemlich aufschlussreich. Meinen Sie in Bezug auf Ihre Bearbeitung, die besagt, dass das, was Sie geschrieben haben, falsch ist, Ihre Schaltungen für die Transistorlösungen oder auch Ihre Kommentare zu Option 2? Warum denken Sie, dass Ihr Transistordesign falsch ist? Der Schaltungssimulator scheint zu sagen, dass es sowohl für 50-Ohm- als auch für HighZ-Lasten funktioniert. Weiter: Warum haben Sie ein PNP anstelle des vorgeschlagenen NPN-Designs verwendet? (Ich fordere Ihr Design nicht heraus, möchte nur lernen.)
Nur Option 1 ist schlecht - ich habe bearbeitet, um dies widerzuspiegeln. Die Simulation für hohe Impedanz funktioniert einwandfrei - bis Sie die 50-Ohm-Last durch eine terminierte 50-Ohm-Verzögerungsleitung ersetzen. Grundsätzlich ist der Ausgang für High-Drive quellenterminiert, aber nicht für Low. PNP wurde so gewählt, dass bei niedrigem Ausgang keine Verlustleistung in der Treiberschaltung entsteht (und das ist die Wurzel des Hi-Z-Impedanzanpassungsproblems). Bei einem NPN hätte es einen Pullup mit niedrigem Wert gegeben, der bei niedrigem Ausgang Leistung verbraucht hätte. 6 von einem, ein halbes Dutzend von dem anderen.

Das sollte es tun:

V2 ist Ihre 5-V-Logikquelle, R3 ist Ihre 50-Ohm-Quellenimpedanz, R4 ist Ihre 50-Ohm-Last, und die LTspice-Schaltungsliste ist hier , wenn Sie mit der Schaltung spielen möchten.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich würde Ihre Wahl der FETs in Frage stellen. Der BSS84 beispielsweise hat einen maximalen Drain-Strom von 130 mA. Das Ansteuern von 12 Volt an 100 Ohm erfordert 120 mA, und dies ist für Komfort viel zu nah. Darüber hinaus schützt das speziell erwähnte OP vor einem harten Kurzschluss, und ein solcher Kurzschluss zieht 240 mA weit über die FET-Nennleistung. Schließlich haben Sie keine Vorkehrungen getroffen, um ein Durchschießen zu vermeiden. Zugegeben, die Gate-Kapazität ist niedrig, aber die niedrige Schwellenspannung wirkt sich gegen Sie aus, ebenso wie die sehr niedrigen Ein- und Ausschaltzeiten.
Meine letzte Bearbeitung scheint sich um all das gekümmert zu haben. :-)
Nun ja. Bis auf ein paar Kleinigkeiten. Zum Beispiel muss Q1 jetzt 1,2 Ampere ziehen und ist nur für 1 Ampere ausgelegt, und das Datenblatt zeigt nur Leistungszahlen für maximal 500 mA. Die Annahme eines hfe von 10 impliziert beispielsweise einen Basisstrom von 120 mA, was ungefähr dem Antrieb entspricht, der für 2,5 Volt an 50 Ohm benötigt wird. Wenn Sie dies tun können, benötigen Sie nicht den gesamten Rest der Schaltung. Um beispielsweise den Basisantrieb zu erhalten, muss V2 40 Volt betragen, was angesichts des ursprünglichen Ziels, ein TTL-Signal zu puffern, etwas übertrieben erscheint. Aber es beantwortet meine ursprünglichen Einwände :-)
1. Der Kollektor von Q1 wird über 100 Ohm auf 12 V hochgezogen, was 120 mA und nicht 1,2 Ampere entspricht. 2. Nehmen Sie nichts an; Erzwingen Sie die gewünschte Beta. Beispielsweise arbeitet Q1 mit einem Kollektorstrom von 120 mA und einem Basisstrom von 12 mA wie geplant mit einem erzwungenen Beta von 10. 3. Wenn am anderen Ende des Koaxialkabels eine 5-V-Logik vorhanden ist, können 2,5 V unter der Schaltschwelle liegen, sodass eine 5-V-Versorgung für die Verwendung auf der Sendeseite etwas niedrig ist. Ich entschied mich für eine 12-V-Versorgung, die laut OP verfügbar war, um bei Bedarf bis zu 6 V von einem 50-Ohm-Spannungsteiler am anderen Ende zu erhalten. 4. Häh?
Ups, tut mir leid. Es war zu früh am Morgen und mein Gehirn war noch nicht voll funktionsfähig. Ich war also nur um den Faktor 10 daneben.

Der einfachste Weg, dies zu tun, besteht darin, einen NPN-Emitter zu verwenden, bei dem der Kollektor über einen 10-Ohm-Widerstand (zum Schutz) mit Vcc verbunden ist, die Basis mit Ihrem Digitalausgang verbunden ist und der Emitter direkt mit dem BNC-Ausgang verbunden ist (ohne Eingriff ) . Widerstand). Der Anschluss einer 50-Ohm-Last über ein 50-Ohm-Kabel überträgt TTL-Signale mit guter Wiedergabetreue. Tatsächlich ist diese Idee (gestohlen aus The Art of Electronics) bei Signalen mit Anstiegszeiten von bis zu etwa 2 ns unter Verwendung von 300-MHz-Transistoren nützlich. Zum Schutz des BE-Übergangs des Transistors gegen Sperrspannung kann eine Anti-Parallel-Diode verwendet werden.

Ich liebe dieses Buch. Musste nur sagen.
Wandeln Sie den TTL-Ausgang des Logik-IC in einen Ausgang um, der 50-Ohm-Geräte ansteuern kann
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