Breitbandverstärker bauen - Hilfe, mein Know How reicht nicht aus!

Hallo,

ja, ich muss es zugeben: Meine Kenntnisse reichen auch nach Lekt=FCre des Tietze-Schenk und vieler anderer Seite im Netz nicht aus, um einen Breitbandverst=E4rker bis ca 80 Mhz mit Transistoren zu dimensionieren. Ein Grundger=FCst steht aber es bricht schon bei nur 30 Mhz ein. Und in fast allen Publikationen werden Schaltungen nicht dimensioniert oder so theoretisch abgehandelt, dass ich vor lauter Integralen und Differenzialen auf Halbleiter-Molek=FClebene nicht weiss wo der Hammer h=E4ngt.

Gr=F6sstes Problem sind dabei die Kenntnisse =FCber die Berechnung von Transistorstufen und die Wahl der richtigen. Auf teure OP will ich verzichten, das MUSS mit Transistoren wie zB dem BF240 gehen, die eine ft von 800 Mhz haben.

Abgegriffen wird das 15ns Nadel-Signal an einer SFH205 Pin Diode, die es etwas streckt. welches dann in eine Impedanzwandlerstufe hineinmuss, erst danach kann die Verst=E4rkung beginnen. Nach erfolgten +30db muss es auf eine Komparatorstufe gehen, die aus dem analogen Signal einen digitalen Peak macht, der dann in einem uC weiterverarbeitet wird. Dieses klappt schon, wenn ich eine Flanke die aus dem Verst=E4rker herauskommt differenziere und einem Komparator das Originalsignal und das differenzierte zuf=FChre.

In meinem Kopf geistern Begriffe wie Emitterschaltung, Kaskode, Spannungsfolger, Differenzverst=E4rker, Transimpedanzverst=E4rker herum aber wer kann mir helfen aus einem Grundger=FCst einen richtigen Verst=E4rker mit 5-6 Transistoren zu bauen, der in Pspice auch richtig funktioniert, wo ich Stufe f=FCr Stufe verstehe was vorgeht und in einem sauberen Skript dann die Berechnung ablegen kann, so dass ich auf diesem Wissen sp=E4ter aufsetzen kann?

Gruss, Christian

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Christian Julius
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Hallo

eine Quelle ewiger Freude,guter und einfach aufgebauter Schaltungen, sind die Serviceunterlagen von Hameg. Die etwas älteren Modell haben fast nur diskrete Transistoren, Mit Schaltplan und allen Bauteilebezeichnungen auf Deutsch. Ich hab hier z.B. die Unterlagen für das HM 605 (Baujahr 86). Ist hier noch täglich im Einsatz und der Schaltplan, sehr übersichtlich.

Grüße Markus Greim

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Markus Greim

ich kenne ja Deinen Kenntnisstand nicht, aber wenn Du das nicht studiert hast bleibt Dir nichts anderes übrig, als etwas nachzubauen. Ein Selbststudium wirst Du mit Google sicher nicht hinbekommen. Für den Schaltungsentwurf brauchst Du solide Grundlagenkenntnisse und eine Menge Erfahrung, _und_ gute Ideen. Ich weiß, daß man in den Halbleitervorlesungen bis zum Fermiintegral oder zur Schrödingergleichung geht, aber wenn man die Transistoren nicht selbst herstellen will, nützt einem das wenig.

Der BF240 hat bei mir ein ft=380 MHz, BF199 wär da mit 550 MHz besser. Die kosten wirklich nur wenige Cent, also wäre eine diskrete Lösung bestimmt kostensparend. Ich weiß jetzt zwar die Preise für passende OPs nicht, könnte aber durchaus sein. Außerdem finde ich Selbermachen viel interessanter als fertig zu kaufen oder Application Notes nachzubauen, was anderes wird ja heute sicher kaum noch gemacht.

Die Auswahl der richtigen Bauteile ist übrigens immer ein besonderes Problem.

Du willst also einen sehr schmalen Impuls erkennen? Wie groß sind die Pegel, TTL? Mit welcher Spannung und Pegel sollte der Verstärker laufen, welche Slewrate muß er haben?

Da Du Pspice hast, kann ich Dir was zum Testen geben. In dieser Gruppe gab es am 27.10.2005 eine Diskussion "Problem mit OP:30 MHz, 20Vpp erzeugen", in der ich auch Vorschläge gemacht habe. Es ging dort allerdings um einen Breitbandverstärker mit hohem Pegel, für den keine integrierten Bausteine zu finden waren.

Ganz zum Schluß der Mega-Diskussion habe ich am 14.12.05 einen Schaltungsvorschlag gemacht in Form einer Pspice-Datei. Ich hänge sie mal hinten dran und Du kannst sie Dir ja mal anschauen. Es ist eine modifizierte Kaskode-Schaltung in Gegenkopplung betrieben, um die linearen Verzerrungen im Großsignalbetrieb klein zu halten. Es geht natürlich auch viel einfacher mit simpler Kaskode.

Von dieser Schaltung habe ich Varianten z.B. mit BF199/BF450, die über

280 MHz Bandbreite gehen, je nach Dimensionierung, aber alles nur simuliert. Nur warne ich davor zu glauben, daß der wirkliche Aufbau sich so wie die Simulation verhält, aber zum Finden eines Konzeptes ist es ganz gut.

Die 30 dB Verstärkung würde ich mit 2 in Kette geschalteten Verstärkern realisieren mit hier je 15 dB oder 5.6, Stichwort Verstärkungs-Bandbreiteprodukt. Außerdem wäre ein diskreter Verstärker mit höherer Verstärkung entsprechend empfindlicher gegen Parameterschwankung durch z.B. Temperatur. Mit Current-Feedback-OP könnte man das vielleicht vermeiden, bin jetzt aber nicht sicher.

Was noch fehlt, ist das Verhalten der Diode und wie man die ankoppelt, aber das kann man ja noch überlegen. Ich hoffe, Du kannst Dir aus der Knotenliste den Schaltplan rekonstruieren und ich habe extra die Low-Level-Form der Schaltung gewählt, weil die wirklich IMHO auf _jeder_ Spice-Version laufen müßte. Da ich hier PSpice 7.1 Vollversion habe, nützt Dir das Schicken des Projekts garantiert nichts, denn ich weiß, daß die zu nichts kompatibel ist, auch nicht zur nächsthöheren Version, außerdem habe ich meine Bibliotheken modifiziert. Dies hier sollte sogar auf den Eval-Versionen laufen.

Der Verstärker unten ist ein Beispiel, wie man hohe Pegel klirrarm auf

50 Ohm geben könnte, wie es Funktionsgeneratoren machen sollen. Am Ausgang fehlt allerdings noch ein Leistungsbuffer.

mfg. Winfried

SPICE-Modell, 2G.6-kompatibel ===============================

*linearer gegengekoppelter HF-Grosssignalverstaerker V=5
  • Verstaerkung V = 1 + r7/(2*r8) r1 2 3 50m r2 30 4 1.15k r3 4 0 6.8k r4 7 0 4.7 r5 6 0 1k r6 8 0 4.7 r7 11 12 360 r8 12 30 45 r10 30 13 5k r11 13 0 560 c1 3 4 1u
*Frequenzgangkorrektur c2 12 30 1p c3 11 12 2.2p
  • q1 5 4 12 Q2N2905A q2 6 6 7 Q2N2219A q3 9 6 8 Q2N2219A q4 11 13 10 Q2N2219A

*linearisierter Buffer r12 16 0 15 r13 17 0 1k r14 18 0 33 r15 30 17 1k r16 19 0 10k r17 19 20 50 c4 13 0 1n c5 14 19 1u c6 17 0 1n c7 20 0 8p q5 30 11 14 Q2N2219A q6 15 17 16 Q2N2219A q7 17 17 18 Q2N2219A

*Versorgung vb 30 0 dc 30 *zur Strommessung vic1 5 6 dc 0 vic3 10 9 dc 0 vic6 14 15 dc 0 *Signalquellen v1 1 0 dc 0 ac 0 sin(0 2 50meg 0 0 0) v2 2 1 dc 0 ac 1 pulse(0v 2.e-6 1n 1n 1n 2u 4u)

.model Q2N2905A PNP(

+Is=650.6E-18 +Xti=3 +Eg=1.11 +Vaf=115.7 +Bf=231.7 +Ne=1.829 +Ise=54.81f +Ikf=1.079 +Xtb=1.5 +Br=3.563 +Nc=2 +Isc=0 +Ikr=0 +Rc=.715 +Cjc=14.76p +Mjc=.5383 +Vjc=.75 +Fc=.5 +Cje=19.82p +Mje=.3357 +Vje=.75 +Tr=111.3n +Tf=603.7p +Itf=.65 +Vtf=5 +Xtf=1.7 +Rb=10)

.model Q2N2219A NPN(

+Is=14.34f +Xti=3 +Eg=1.11 +Vaf=74.03 +Bf=255.9 +Ne=1.307 +Ise=14.34f +Ikf=.2847 +Xtb=1.5 +Br=6.092 +Nc=2 +Isc=0 +Ikr=0 +Rc=1 +Cjc=7.306p +Mjc=.3416 +Vjc=.75 +Fc=.5 +Cje=22.01p +Mje=.377 +Vje=.75 +Tr=46.91n +Tf=411.1p +Itf=.6 +Vtf=1.7 +Xtf=3 +Rb=10)

*Ausgabe .tran 100p 50u 0s 100p .ac dec 101 1 1000Meg

*.print tran v(11,0) v(19,0) v(20,0) *.print tran vdb(11,0) vdb(19,0) vdb(20,0) *.print tran i(vic1) i(vic3) i(vic6) .probe *.options reltol=1.e-5 numdgt=7 acct .options acct .end ================================== Ende Spice-Modell
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Winfried Salomon

Ja, ich hatte/habe da einen Super-OPV in Arbeit, mit Spice.

Ich habe allerdings gemerkt, daß da (in Spice) parasitäre Kapazitäten bei allen Transistoren pauschal den gleichen Wert haben, so daß ich das mal real aufbauen und weiterentwickeln muß.

Ich hab das Thema nicht vergessen - leider habe ich keinen Dauerurlaub.

--
Mit freundlichen Grüßen
Helmut Schellong   var@schellong.biz
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Helmut Schellong

Hallo Winfried,

Danke f=FCr Deinen ausf=FChrlichen Kommentar. Ich habe versucht Dir eine Mail zu schreiben in der einige Daten waren aber leider kam diese zur=FCck. W=FCrdest Du mich bitte mal kontaktieren?

Gruss, Christian

Winfried Salomon schrieb:

Doch..... aber Automationstechnik, war zudem 8 Jahre Hard/Softwarewareentwickler aber alles kann man nicht wissen, wenn die Welt heut meist digital tickt. ;-)

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Christian Julius

Christian, lass Dich nicht blenden!

Name dropping registiert.. Die Herrschaften haben aber rein garnix mit Breitbandverstärkern zu tun.

(Christian:)

BF240 ist dann wohl doch zu antik. Besorge Dir erst mal die Datenblätter der einschlägigen Breitbandtransistoren von Infineon oder Philips (seit neulich NXP, ), da sind normalerweise auch die Meßschaltungen und application notes dabei. Die wollen Transistoren verkaufen und keine Vorlesungen halten. BFR93 oder so dürften reichen. Bleibe von den letzten zwei oder drei Generationen weg, die sind zu heiß. BFG196 oder BFG235 sind wohl schon unnoetig schnell. Beachte die Abhängigkeit der Transitfrequenz vom Ruhestrom. Bei einem mA kommt kaum ein Transistor in die Gänge.

...und immer daran denken: jeder Millimeter Draht hat ein NanoHenry ganz für sich alleine. Berücksichtige das in Deinen Simulationsmodellen, insbesondere bei den Kondensatoren.

Gruß, Gerhard

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Gerhard Hoffmann

Hallo Gerhard,

Die Schr=F6dingergleichung ist mir bestens bekannt aus den Vorlesung der Dynamik im Studiengang Maschinenbau / Automatisierungstechnik. Sie beschreibt die Ausbreitung von Wellen, l=E4sst sich mit PDGL's l=F6sen bzw waren wir froh, wenn wir fertige Skripte hatte, die f=FCr alle Arten von Randbedingungen die richtige DGL lieferten, verstanden hatte es wohl keiner so richtig ;-)

Wenn er es denn tut....

sistoren

ind

Die BFR93 habe ich noch, sind aber smd. Damit habe ich eine Telmetriestufe auf 100mW gebracht allerdings auch nach App.note. Das Problem ist ja, dass man bei HF ohne die richtigen Messger=E4te kaum mehr was machen kann.

Ich nehme meist 5-10. Die Frage ist aber: Welche Schaltung? Gilt die Transitfrequenz auch f=FCr die normale Basisschaltung, d.h. ist die Millerkapazit=E4t so klein, dass sie kaum Einfluss mehr hat? Oder gilt sie f=FCr die Emitterschaltung, die ja schon einen BC547 bis 100Mhz verwandbar macht?

Bisher halte ich folgende Kette f=FCr sinnvoll:

Sensor - Kaskode - Emitterfolger - 1. Vorstufe: Emitterschaltung oder Differenzverst=E4rker - 2 Stufe - Komparator.

Gruss, Christian

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Christian Julius

einfach den trashcan weglassen, der steht da wegen Spam.

Ja dann sollten Dir die Grundlagen sicher bekannt sein, obwohl die Thematik eher im Schwerpunkt Nachrichtentechnik oder Meßtechnik behandelt wird. Aber selbst dort ist heutzutage fraglich, ob sowas wie Kaskode, die fast in jedem OP drin ist, erklärt wird. Mit Software ist nicht jedes Problem lösbar ;-).

Ich wußte nicht wie ich Dich einordnen sollte, Du hättest auch ein jugendlicher enthusiastischer Bastler sein können, der sich etwas viel vorgenommen hat ;-).

mfg. Winfried

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Winfried Salomon

Hallo Helmut,

ist sicher sehr interessant. Ich selbst hatte für mich auch noch eine Kombination der genannten Transistorschaltung mit handelsüblichen OPs optimiert, um den Frequenzgang bis herunter auf 0 zu bekommen. In der Simulation sieht das mit Sinus sehr gut aus, das Sprungverhalten ist aber nicht so optimal, deutet auf Nichtlinearitäten hin. Ich bewundere hier wieder Tektronix, daß die das mit 30Vss bis 40 MHz hingekriegt haben.

Ja, die Spice-Modelle sind sicher nicht optimal. Allerdings sind die inneren Kapazitäten hier bei mir nicht gleich, eher der Basisbahnwiderstand. An der Stelle ist es sowieso unrealistisch, weil die Rückwirkungskapazität in Wirklichkeit eine RC-Leitung ist und nicht etwa nur aus 1 R und 2 Cs besteht. Also sind Simulationen in Richtung Transitfrequenz stark abweichend, IMHO vor allem was die Stabilität betrifft.

Zum Aufbauen werde ich wohl nicht kommen, Themen wie Breitbandverstärker oder überhaupt konventionelle Analogtechnik, auch Filter aller Art, gelten wohl als unmodern, weil schon seit 50 Jahren bekannt. Sowas kauft man fertig oder läßt es ganz bleiben :-/.

Manchmal greife ich interessehalber so ein Thema auf, weil das früher mal mein Gebiet war, aber nur noch privat mit Rechnerhilfe, praktisch wie ein Hobby.

mfg. Winfried

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Winfried Salomon

Hallo Gerhard,

was ich damit sagen wollte: Mir sind Hochschulabsolventen der Elektrotechnik bekannt, die obiges gelernt haben, aber sich noch nie mit irgendeiner Schaltung auseinandergesetzt haben. Ob es heute besser ist, weiß ich nicht.

Transistoren mit ft=5 GHz zu nehmen, halte ich für einen gewissen Overkill. Die BF199/BF450 kosten einzeln um die 8 Cent, weil es Massenprodukte aus Videoverstärkern von Fernsehern sind, die müßten völlig reichen. Habe das grade mal simuliert, die verstärken einen 15 nS-Impuls linear mit einem Delay von 1.5 nS und 10% Überschwingen, das sollte doch gehen. Bei kleinen Übersteuerungen sehe ich noch keine Sättigungseffekte, aber das könnte evtl. an Spice liegen.

Sicher wäre eine Kombination BFT92/BFR92 interessant, um Bandbreiten im GHz-Bereich zu erhalten, der BFR93 scheint veraltet zu sein. Aber dann geht, wie Du selber schreibst, die Geometrie noch viel stärker ein und vor allem, wie weist man Schwingen bei einigen GHz nach?

Mal sehen, ob ich mir mal ein Spice-Modell damit zusammenbastle.

mfg. Winfried

Reply to
Winfried Salomon

Markus Greim schrieb:

Feines Teil, hab ich auch hier stehen.

Gruß Jürgen

--
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Juergen Klein

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