Vom Logikpegelwandler zum
Impulsgenerator (Endstufe)

 


Einleitung

Ein Logikpegelwandler wandelt die Spannung eines Logikpegels in einen Logikpegel mit einer anderen Spannung. Ein Beispiel wäre die Wandlung eines TTL-Signals, mit der typischen Betriebsspannung des TTL-IC von +5 VDC, zu einem CMOS-Logiksignal der IC-Familien MC14xxx bzw. CD4xxx, mit einer möglichen Betriebsspannung des IC von +12 VDC. Möglich, weil man diese CMOS-Familien zwischen +3 VDC und +15 VDC speisen kann. Oder auch das Umgekehrte ist möglich, nämlich, wie man aus einem bipolaren oder unipolaren Signal mit höherer Spannung ein unipolares Signal mit niederiger Spannung, z.B. TTL-Pegel oder 5 V für ein HCMOS/ACMOS-IC, erzeugt. Wie man solches realisiert wird nur kurz thematisiert, weil dies, für den einigermassen erfahrenen Elektroniker, einfach zu realisieren ist. Wir beginnen mit der einfachen Skizze in Bild 1:

Teilbild 1.1 zeigt das Blockschaltbild des Logikpegelwandlers mit einem unipolaren Signal (Impuls), der TTL-Pegel haben kann, am Eingang Ue und am Ausgang erscheint ein bipolares Signal (Impuls) mit einer symmetrischen Ausgangsspannung mit einem Wert von maximal ±Ub. Das ist klar, denn höher als die Betriebsspannung des Ausgangstreibers (oder der ganzen Schaltung) kann die Signal- bzw. Impulsspannung an Ua natürlich nicht sein. Sie muss auch nicht zwangsläufig symmetrisch sein, wie hier angedeutet und in Bild 4 noch zu sehen ist. Teilbild 1.2 skizziwert den umgekeherten Vorgang. Es sei hier bereits angemerkt, je nachdem wie die Schaltung realisiert ist, braucht die Schaltung nicht zwangsläufig auch eine negative Betriebsspannung (-Ub), nur weil die Impulsspannung an Ue einen negativen Wert hat.

Zu Beginn werden verschiedene einfache diskrete Schaltungen mit Transistoren gezeigt. Ein Beispiel (Bild 4) hat etwas mit einem Elektronik-Minikurs über eine SC-Tiefpassfilter-Anwendung zu tun. Es geht dabei um Schaltvorgänge an zwei spannungssteuerbaren analogen Tiefpassfilter mittels OTA, die als Antialiasing- und Glättungsfilter (Smoothing) vor und nach dem SC-Tiefpassfilter arbeiten. Danach wird ein Lösungsweg mit einem Komparator gezeigt und als exotisches Highlight kommt ein elektronischer analoger Umschalter (Analog-Switch) als Logikpegelwandler zum Einsatz. Danach wird vorgestellt, wie man auf einfache Weise mit einem solchen Analog-Switch die Endstufe eines Impulsgenerators realisieren kann, bei dem man beliebige positive und negative Impulsspannungen einstellen kann (Bilder 7 bis 9). Zum Schluss geht es um Logikpegelwandlerschaltungen, die das Umgekehrte tun, nämlich das was Teilbild 1.2 andeutet.

In diesem Abschnitt gibt es die Formulierung "Signal (Impuls)". Damit ist nichts anders gemeint, dass es ein einzelner Impuls, aber ebeso eine Serie von Ipulsen, bzw. Rechtecksignalen, sein kann. Darum in Klammer das Wort Signal. Dieser Zusammenhang betrifft hier den ganzen Elektronik-Minikurs.



Logikpegelwandler mit Transistoren

Man liest in diesem Elektronik-Minikurs bei den Impulsspannungen an Ue oft <>+Ub und TTL. Dies bedeutet, dass diese Spannungen grösser oder kleiner als +Ub und damit auch TTL-Pegel haben dürfen. Das bedeutet natürlich, dass die Eingangsbeschaltung bei hoher Spannungsabweichung entsprechend angepasst werden muss. Darauf wird nicht extra eingegangen. Es wird vorausgesetzt, dass die Grundlagen des Transistors als Schalter und die Funktionsweise des Komparators bekannt sind.

Ein normal belasteter TTL-Ausgang (Quelle für Ue) - z.B. von einem NAND-Gate des Typs 74ALS00 - hat einen HIGH-Pegel von etwa 3.5 V und einen LOW-Pegel von weniger als 0.5 V. Ohne Belastung zwischen Ausgang und GND ist der HIGH-Pegel nicht wesentlich höher, weil die Spannung von etwa 3.5 V wegen der doppelten Basis-Emitter-Spannung des IC-Internen NPN-Darlington erfolgt. Hingegen liefert ein CMOS-Ausgang bei nur sehr geringer Last (z.B. bei nachfolgendem CMOS-Eingang) praktisch die volle Betriebsspannung für den HIGH- und GND für den LOW-Pegel. Man sagt dem dass, ein CMOS-Ausgang rail-to-rail-fähig ist.

Teilbild 2.1 zeigt die sehr einfache diskrete Inverterschaltung mit einem NPN-Transistor T, wie sie (fast) jeder kennt. Wäre nur der Basis-Vorwiderstand R1 ohne R2, würde bereits bei Ue > +0.65 V ein Basis- bzw. Kollektorstrom in T fliessen. Dies macht die Inverterschaltung empfindlich auf kleine transiente Störspannungen, die z.B. kapazitiv, durch benachbarte Leitungen mit Impulsen, eingekoppelt werden können. Mit R1 und R2 hat man einen Spannungsteiler, der dafür sorgt, dass T hier erst dann zu leiten beginnt, wenn Ue höher als etwa die halbe TTL-Highpegel-Spannung ist. Steuert man mit einer Spannung aus einem CMOS-IC mit einem HIGH-Pegel von +5 V, kann R1 auf 5.6 k-Ohm erhöht werden, muss aber nicht zwingend. Kondensator C1 - 100 pF ist bloss ein Richtwert - kompensiert die Wirkung der Miller-Kapazität zwischen Kollektor und Basis. Dadurch werden die Schaltflanken des Impulses an Ua steiler. Auch R1 bis R3 sind Beispiele und Richtwerte. Je nach Anwendung und Betriebsspannung eignen sich eher andere Werte. Man kann die Stromverstärkung von T besser ausnutzen, wenn man R1+R2 um einen Faktor 10, oder auch etwas mehr, in Relation zu R3 erhöht. Man übertreibe aber nicht, weil ein Querstrom durch R1 und R2, der einige Male höher sein sollte als der Basisstrom von T, sorgt für ein steileres Schalten von T, besonders dann, wenn die Flankensteilheit des Eingangssignales zu wünschen übrig lässt. Diese Steilheit hat etwas mit der Verstärkung von T und nur nebensächlich mit dessen Geschwindigkeit zu tun.

Flankensteilheit: Ein paar Worte zum hier verwendeten Begriff der Flankensteilheit. Eine Steilheit ist stets eine Änderung eines Spannungs- oder auch eines Stromwertes in Abhängigkeit einer definierten Zeit. Die Steilheit (Slewrate) eines mittelschnellen Opamp beträgt z.B. 5 V/µs (TLC271). Wenn hier von Steilheit die Rede ist, gilt das ebenso. Man liest aber auch von der Impuls-Anstiegs- und Impuls-Abfallzeit, z.B. in Nanosekunden (ns). Es ist die Zeit zu verstehen, die eine Spannung braucht um von theoretisch 90 % des einen Pegels bis zu theoretisch 90 % des andern Pegels zu gelangen. Praktisch ist hier die Zeitverzögerung gemeint, die das Signal braucht, um von einer Spannung zur andern zu gelangen, also z.B. zwischen GND und + 5V oder umgekehrt oder z.B. zwischen -5 V und +5V oder umgekehrt. Im folgenden Text werden diese Begriffe auf Anstiegs- und Abfallzeit gekürzt.

Teilbild 2.2 baut auf der Inverterschaltung von Teilbild 2.1 auf. Der einzige Unterschied im ersten Teil der Schaltung mit dem NPN-Transistor T1 besteht darin, dass der Kollektorwiderstand R3 in R3 und R4 aufgeteilt ist. Man kann sich fragen warum, denn eigentlich würde doch R3 genügen, damit in T2 ein Basis- und auch ein Kollektorstrom fliessen. Das ist richtig, aber was würde die Basis von T2 tun, wenn die Kollektor-Emitter-Strecke von T1 offen ist und die Basis von T2 in der Luft hängt? Ganz einfach fast nichts. Nur, genau das darf eben nicht sein, wenn T2 ebenso schnell schalten soll wie T1, und das kann T2 nur dann, wenn R4 die Ladungsträger aus der Basis von T2 so schnell wie möglich herausfegt. Diese Schaltung erreicht mit diesen etwas schnelleren Feld-Wald-und-Wiesen-Transistoren eine maximale Schaltgeschwindigkeit von etwa 1 bis 1.5 MHz. Sie eignet sich z.B. als Einsatz für den SC-Sinusgenerator in Sinusgeneratoren und der SC-Sinusgenerator für maximale Sinusfrequenzen von 10 bis etwa 15 kHz.

Noch ein paar Bemerkungen zur Schaltung in Teilbild 2.2. Die Anstiegszeit von 150ns und Abfallzeit von 50 ns lässt sich reduzieren, wenn man besonders schnelle Schalttransistoren verwendet und die Schaltung noch etwas niederohmiger aufbaut. Es ist dabei zu bedenken, dass der Quellwiderstand der Ausgangsstufe mit T2 nicht symmetrisch ist. Im Falle des HIGH-Pegels (+5 V) ist der Ausgang extrem niederohmig, weil dann nur der sehr niederohmige Innenwiderstand der Kollektor-Emitter-Strecke von T2 wirkt. Beim LOW-Pegel (-5 V) ist T2 offen und es wirkt der Wert von R5 als Quellwiderstand. Dies bedeutet, wenn Ua kapazitiv zu sehr belastet wird - langes Koaxialkabel - verschlechtert sich die Steilheit der fallenden Flanke drastisch, wobei die ansteigende Flanke eher unverändert bleibt.

Diese Schaltung kann natürlich, je nach Bedarf, auch verändert werden. Mit der Variation von +Ub und -Ub, auch jede Betriebsspannung für sich alleine, können völlig andere Impulsspannungen, auch asymmetrische von z.B. +3 V und -18 V, erzeugt werden. Ein Umdimensionieren der Widerstände ist dann u.U. notwendig.

Teilbild 2.2 arbeitet nichtinvertierend. Mit dem zusätzlichen PNP-Transistor T3 arbeitet die Schaltung in Teilbild 3.1 invertierend. Wäre der Emitter von T3 mit +5 VDC verbunden, hätte man an Ua die selben Impulse von ±5 V wie Teilbild 2.2 zeigt, jedoch zu Ue invertiert. Da in Teilbild 3.1 der Emitter von T3 mit GND verbunden ist, erhält man an Ua negative Impulsspannungen von GND und -5 V (-Ub). Es stellt sich noch die Frage, wozu man die schnellschaltende Signaldiode D (1N914) benötigt. Wenn T2 leitet, liegt am Kollektor von T2 die Spannung von +Ub. Wenn diese grösser ist als etwa 5 V, würde ohne D ein Basis-Emitter-Durchbruch von T3 stattfinden. Wegen dem strombegrenzenden Widerstand R6, würde eine Zerstörung von T3 eher ausbleiben, aber die Schaltfunktion würde gestört sein. Besonders dann wenn +Ub wesentlich grösser als +5 VDC ist. Diode D begrenzt die inverse Basis-Emitter-Spannung auf etwa 0.7 V.

Teilbild 3.2 zeigt eine Alternative, welche die Diode D nicht benötigt. Man vewendet für T3 einen NPN- anstelle eines PNPN-Transistors. Die Funktion der Schaltung bleibt fast die selbe, so invertiert sie ebenfalls den Eingangsimpuls von Ue nach Ua und der Ausgangsimpuls ist ebenfalls negativ. Es ist ebenfalls möglich, durch Änderung des Pegels an R6 (hier GND) zu einer postiven oder negativen Spannung, den Pegel des Impulses (hier GND) zu diesen selben Spannungswerten zu verändern. Mit 'fast' ist gemeint, dass in Teilbild 3.1 Ua bei GND-Pegel niederohmig ist, weil T3 leitet. Bei Teilbild 3.2 ist Ua beim Pegel von -Ub niederohmig, weil T3 leitet. Der Pegel an Ua ist also einseitig lastabhängig. Welche der beiden Schaltungen man bevorzugt, ist von der Anwendung abhängig.

Die Schaltung in Teilbild 4.1 arbeitet fast wie die in Teilbild 2.2, wenn man sich klar ist, dass -Ub in Teilbild 2.2 auch auf -12 VDC gesetzt werden kann und dabei der selbe bipolare asymmetrische Impuls mit +5 V und -12 V, wie in Teilbild 4.1, an Ua erzeugt werden kann. In Teilbild 4.1 ist Ua zu Ue allerdings invertiert. Dafür braucht es nur gerade einen PNP-Transistor. Hier ist es jedoch nicht ganz so einfach bezüglich R1, R2 und +Ub, weil diese Widerstände besser, als bei den vorherigen Schaltungen, an die Spannungspegel des Eingangsimpulses angepasst sein müssen. Das hat damit zu tun, dass der Eingangsimpuls nicht auf GND, sondern auf +Ub, hier +5 VDC, referenziert ist.

Im vorliegenden Beispiel geht es darum, dass ein TTL-Impuls oder ebenso ein Impuls von einem CMOS-Ausgang an Ue sicher funktioniert. Das bedeutet, dass bei einem TTL-Highpegel von 3.5 V an Ue der Transistor T noch sicher offen bleibt, so dass an Ua die Spannung von -Ub (-12 V) über R3 an Ua anliegt. Wen Ue = 3.5 V, dann liegt zwischen +Ub (+5 VDC) und Ue eine Spannung von 1.5 VDC. Die Spannung über R1 beträgt dabei etwa 0.35 V und diese Basis-Emitter-Spannung erzeugt noch keinen Basis- und damit auch keinen Kollektorstrom in T. Wenn Ue = GND, dann beträgt die Spannung über R1 1.2 V, falls der Knotenpunkt zwischen R1 und R2 von der Basis von T getrennt wäre. Dort jedoch angeschlossen, fliesst ein eindeutiger Basisstrom über R2 nach Ue, der gerade auf GND-Pegel liegt. Auch dann, wenn der LOW-Pegel eines TTL-Signals 0.5 V betragen würde, beträgt die Spannung an R1 ohne Basisanschluss 1.05 V. Auch damit wäre T sicher leitend, denn die Basis-Emitter-Schwellenspannung beträgt etwa 0.65 V, bei den vorliegenden niedrigen Kollektorströmen.

Noch etwas ist wichtig: Wenn ein TTL-Ausgang nur gerade den Logikpegelwandler von Teilbild 4.1 ansteuert und es liegt ein TTL-HIGH-Pegel vor, dann beträgt dieser nicht +3.5 V, sondern +5 V (+Ub). Dies kommt ganz einfach davon, dass ein TTL-Ausgang bei einem HIGH-Pegel nur in Richtung niedriger und nicht in Richtung höherer Spannung als die typische TTL-HIGH-Pegelspannung ist, Strom liefern kann. Darum wirkt ein Widerstand von einem TTL-Ausgang in Richtung +5 VDC (+Ub) stets als Pullup-Widerstand, der die TTL-Ausgangspannung hochzieht. Genau das geschieht auch hier!

Wir erkennen, dass bei dieser einfachen Schaltung +Ub eindeutig auf +5 VDC liegen muss. Allgemeiner: Es muss die selbe geregelte Spannung sein, wie dies das vorgeschaltete TTL-IC als Speisung erhält. Genau die selben Überlegungen gelten, wenn anstelle längst antiquierter TTL-ICs, CMOS-ICs mit 5-VDC-Speisung zum Einsatz kommen. Selbstverständlich kann man vor Ue auch CMOS-Schaltungen, z.B. der MC14xxx- und CD4xxx-Familien, mit einem Bereich der Betriebsspannung von +3 VDC bis +15 VDC einsetzen, wenn +Ub auf die selbe Betriebsspannung gesetzt wird. R1 und R2 muss man entsprechend anpassen und diese Anpassung lautet bei CMOS ganz einfach: Man kann auf R1 verzichten, weil, wie bereits weiter oben angedeutet, CMOS-Ausgänge rail-to-rail-fähig sind, d.h. Spannungen von +Ub und GND liefern. Will man allerdings den Signal-Störsignal-Abstand nicht verschlechtern, empfiehlt sich auch hier R1 und R2 in der Weise, dass an Ue die Schaltschwelle bei etwa +Ub/2 vorliegt.

Die HIGH-Pegel-Spannung an Ue darf, bei entsprechender Dimensionierung von R1 und R2, sehr viel grösser sein als +Ub. Es empfiehlt sich dann zusätzlich Diode D, um eine unnötig hohe Basis-Emitter-Inversspannung an T zu vermeiden. Natürlich ist es ebenso erlaubt, wenn der LOW-Pegel an Ue negative Spannungswerte hat.

Man sieht als Andeutung noch eine Schaltung mit einem N-Kanal-JFET, einem Kondensator CF und einem Gate-Widerstand Rg, die von Ua gesteuert wird. Diese Andeutung zeigt, dass diese Schaltung in Teilbild 4.1 im Elektronik-Minikurs Steuerbares und steiles Tiefpassfilter in SC- und Analog-Technik mit grossem Frequenzbereich in gleich vierfacher Ausführung vorkommt. Die Werte von R1 bis R3 sind relativ hochohmig, was für diese Anwendung richtig ist, weil es nur sehr langsame Schaltvorgänge sind. Braucht man höhere Schaltfrequenzen, bzw. steilere Schaltflanken, kann man diese Widerstände auch um mehr als einen Faktor 10 reduzieren. Wie schon weiter oben beschrieben, ein zu R2 parallel geschalteter Kondensator von etwa 100 pF neutralisiert die Wirkung der Miller-Kapazität zwischen Kollektor und Basis von T, was die Schaltung zusätzlich beschleunigt.

Die Schaltung in Teilbild 4.2 zeigt mit dem zusätzlichen Transistor T2 einen nichtinvertierenden Pegelwandler. Die Schaltung um T1 ist funktionell identisch mit der in Teilbild 4.1.



Logikpegelwandler mit ICs

Bild 5 zeigt einen Logikpegelwandler mit einem mittelschnellen Komparator, der preiswert und leicht erhältlich ist. Es ist der LM319, ursprünglich von National-Semiconductor und aktuell von Texas Instruments, der gleich zwei Komparatoren in einem IC enthält. Mit Potmeter P1 wird am invertierenden Eingang des Komparator KO die Referenzspannung Ur eingestellt. Übersteigt die Spannung an Ue den Wert von Ur, geht Ua auf logisch HIGH, im vorliegenden Beispiel auf 5 V. Da es ein Opencollector-Ausgang ist, benötigt es zwischen +5 VDC und Ua R2 als Pullup-Widerstand. Ohne R2 ist ein HIGH-Pegel am Ausgang nicht möglich. Die Anstiegs- und Abfallzeit der beiden Impulsflanken Flanken betragen etwa 100 ns. Ist die Frequenz eines zeitsymmetrischen (Tastverhältnis = 0.5) Rechtecksignales an Ua höher als etwa 1 MHz, muss man mit P1 an Ua das Tastverhältnis auf ebenfalls den Wert von 0.5 exakt abgleichen, sofern dies notwendig ist. Einige der älteren SC-Filter-IC verlangen dies als Taktsignal. Für wesentlich niedrige Frequenzen an Ue, kann P1 durch einen Spannungsteiler ersetzt werden.

Ua lässt sich zu Ue invertieren, in dem man die Anschlüsse am invertierenden und nichtinvertierenden Eingang vertauscht. Die maximal zulässige differenzielle Eingangssspannung beim LM319 richtet sich nicht nach der Betriebsspannung, sie beträgt gemäss Datenblatt 5 V. Dieser Spannungswert hat etwas mit der maximal zulässigen inversen Basis-Emitter-Spannung der integrierten NPN-Transistoren an den Eingängen zu tun. In der vorliegenden Anwendung ist dieser Grenzwert allerdings unkritisch. Setzt man diese Schaltung jedoch für höhere Impulsspannungen ein, müssen zwei antiparalell geschaltete Dioden zwischen dem invertierenden und nichtinvertierenden Eingang geschaltet werden.

Ein paar Worte zu R1. R1 hat eine reine Schutzfunktion vor allfällig zu hohen Spannungen. Ursprünglich war ich der Auffassung, dass R1 betreffs maximaler Geschwindigkeit, so niederohmig wie möglich sein sollte. Das Experiment belehrte mich das Gegenteil. Ich vermute, dass dies damit zu tun hat, dass bei den Eingangs-NPN-Transistoren, wegen zu hohen Basisströmen Sättigungseffekte auftreten. Es zeigte sich, dass man leicht Widerstandswerte zwischen 10 und 100 k-Ohm einsetzen kann und trotzdem sind Frequenzen mit mehr als 1 MHz möglich. Optimal zeigte sich ein Wert von etwa 10 k-Ohm. Es ist aber wichtig, dass der Widerstand so nahe wie möglich an den Eingangsspin des LM319 geschaltet wird, denn die parasitären Kapazitäten sollten an dieser Stelle so niedrig wie möglich sein, damit keine unnötige Signaldämpfung, Ue/Ua-Phasenverschiebung und keine parasitär störende Rückkopplung auftreten kann.

So, und jetzt wird's ein wenig exotisch. Eine sogenannter Analog-Switch hat seine Pflicht dahingeghend zu erfüllen, dass er eine analoge Spannung schaltet, welche sich innerhalb seiner Betriebsspannung befindet. Pasta! Wer das nicht glaubt, dem empfehle ich meinen Elektronik-Minikurs Der analoge Schalter II. Wenn man jetzt zum ersten Mal etwas über diese sogenannten Analog-Switches liest, empfehle ich den eben erwähnten Elektronik-Minikurs zum Studium gleich noch einmal. Übrigens, im Fachjargon heissen diese Analog-Switches MOSFET-Transmissions-Gate.

Es gibt Analog-Switches welche nur ein- und ausschalten und es gibt solche die als Umschalter arbeiten. Das Umschalter-Symbol ersetzt das komplexe CMOS-Transmissions-Gate. Es kommt der DG419 von Maxim zum Einsatz.

Teilbild 6.1 zeigt wie ein Logikpegelwandler mit wenig Bauteilen realisiert werden kann. Genau genommen benötigt man nur den DG419 und sonst nichts. Die zusätzlichen Bauteile dienen lediglich der Funktionsstabilität und dem Schutz des IC. Das Dreiecksymbol nach dem Eingang IN (Pin 6) ist ein Logikpegelwandler im IC selbst. Dieser dient dazu, dass man am Eingang IN stets mit einem TTL-Signal oder mit einem sonstigen GND-bezogenen Pegel von >2.4 V für einen HIGH-Pegel fahren kann und dies unabhängig ob der DG419 ebenfalls unipolar zwischen +10 VDC und +30 VDC oder bipolar zwischen ±4.5 VDC und ±20 VDC gespiesen wird. Diese sogenannte TTL-kompatilität vereinfacht die Steuerung sehr. Moderne Analog-Switches erfüllen in der Regel diese selbstverständliche Anforderung. Der Innenwiderstand des eingeschalteten MOSFET-Schalters beträgt durchschnittlich 35 Ohm. Durchschnittlich heisst hier, dass dieser Schalter-Widerstand abhängig ist von der Betriebsspannung und von der augenblicklichen Analogspannung die übertragen wird. Dies zu beschreiben ist zu aufwändig. Man muss sich dazu das Datenblatt von Maxim besorgen. Man beachte die entsprechenden Diagramme. Soviel sei aber verraten, selbst im schlechtesten Fall beträgt der Schalter-Widerstand noch immer etwa 45 Ohm und das ist bei einer Betriebsspannung von ± 5VDC und einer Signalaussteuerung von etwa ±4 V der Fall.

Überspannungsschutz: Das Widerstands-Dioden-Netzwerk aus R1, R2, D1 und D2 dient als Überspannungsschutz. Wenn die Spannung an IN (Pin 6) positiver oder negativer als ±Ub ist, fliesst ein Strom nach IN und dies kann leicht zu einem Latchup-Effekt führen. Dieser Effekt schliesst bekanntlich die Betriebspannung zwischen +Ub und -Ub kurz und bei genügend hohem Kurzschlussstrom verabschiedet sich das IC sehr schnell in die ewigen Elektronenjagdgründe. Nun könnte man denken, dass diese Massnahme übertrieben sei, denn schliesslich schaltet man den Eingang der Schaltung in Teilbild 6.1 an eine Impulsquelle mit einer definierten und stabilen Impulsspannung. Diese Überlegung ist zulässig, aber man muss sicher sein, dass diese Impulsquelle von der selben Betriebsspannung ±Ub gespiesen wird. Arbeitet zuerst die externe Impulsquelle und sie liefert ihre Impulse an den Eingang IN und erst danach schaltet ±Ub für den DG419 ein, existiert während des Ansteigens von ±Ub eine Überspannung an IN und der Latchup könnte ausgelöst werden. Auch in diesem Fall begrenzt R1 den Strom, der entweder über D1 nach +Ub oder D2 nach -Ub abfliesst. Über R2 kann maximal eine Diodenflussspannung von etwa ±0.7 V liegen. Im schlimmsten Fall könnte ein unerwünschter Strom von etwa 4 mA (Worst-Case) fliessen und 30 mA sind gemäss Datenblatt "Absolute Maximum Ratings" zulässig.

Was zeigt uns Teilbild 6.2, das ein wiederholter Ausschnitt von Teilbild 6.1 ist, zusätzlich? Man kann den DG419 bis zu einer Spannung von ±20 VDC betreiben. Will man das IC aber trotzdem mit TTL-kompaziblen Impulsen steuern, muss man den Eingang VL (Pin 5) an eine Spannung von +5 VDC legen. Dazu genügt eine einfache Z-Dioden-Schaltung aus R4 und Z, Z mit einer Zenerspannung von typisch 5.1 VDC. Da der Eingang VL mit maximal 5 µA (siehe Datenblatt) extrem wenig Strom braucht, muss R4 relativ wenig Strom führen. Für eine normale Z-Diode benötigt es allerdings etwa 1 mA, damit die Zenerspannung im richtigen Arbeitspunkt liegt. Bei +Ub von +20 VDC wählt man für R4 15 k-Ohm. Der Blockkondensator Ck - 100 nF Multilayer/Keramik - (auch an anderen Stellen in den beiden Schaltungen) dient dazu, die Impedanzen im mittel- und hochfrequenten Bereich niedrig zu halten. Dies vermindert die Störungsanfälligkeit einer solchen Schaltung.

Frequenzen: Im punktierten Rahmen hat es ein kleines Impulsdiagramm. Nebenstehend die Angaben der Anstiegs- und Abfallzeit von 50 ns bei ±5 VDC und 25 ns bei ±12 VDC. Dies kommt daher, weil bei der höheren Betriebsspannung die Gate-Source-Spannung höher und deshalb der Drain-Source-Widerstand beim eingeschalteten MOSFET niederohmiger ist. Dies wirkt sich natürlich auch auf die maximale Schaltfrequenz aus. Ein Experiment zeigt, dass bei ±5 VDC mit weniger als 2.5 MHz bereits das Ende der Fahnenstange erreicht ist. Bei ±12 VDC sind es etwa 3 MHz. Die maximale Frequenz ist nicht einfach nur von Steilheiten der Impulsflanken bestimmt. Mit diesem Logikpegelwandler bei der Betriebsspannung von ±5 VDC ist beim Einsatz mit dem SC-Sinusgenerator eine maximale Sinusfrequenz von 25 kHz erreichbar.



Impulsendstufe mit variablen Amplituden

Abschliessend zum Thema Logikpegelwandler mit einem elektronischen analogen Schalter soll mit Bild 7 gezeigt werden, dass es möglich ist, mit geringem Aufwand eine Impulsendstufe mit variablen Amplituden zu realisieren. Bild 7 erweitert Bild 6 nur geringfügig. Die Betriebsspannung ±Ub wird hier auf ±15 VDC festgelegt, während die Spannung an den Schaltereingängen S2 und S1 mit P1 und P2 zwischen GND-Pegel und etwa +13 VDC bzw. zwischen GND-Pegel und etwa -13 VDC variabel einstellbar sind. Dies ermöglicht die getrennte Einstellung der positiven und negativen Impulsamplitude. Die beiden Opamp IC:A und IC:B (man kann auch ein Dual-Opamp einsetzen) dienen als Impedanzwandler. Dadurch können fast beliebig hochohmige Potmeter für P1 und P2 eingesetzt werden.

R5 mit Ck und R6 mit Ck arbeiten als passive Entstör-Tiefpassfilter. Diese Filter, mit einer niedrigen Grenzfrequenz von etwa 16 Hz, vermeiden das parasitär-kapazitive Einkoppeln von Störsignalen aus der Umgebung der Schaltung. Empfehlenswert, wenn die Leitungen zwischen den Potmetern und den Impedanzwandlern nicht gerade kurz und/oder nicht abgeschirmt sind. C3 mit Ck und C4 mit Ck sind Optionen, wenn es wichtig ist, dass die mittel- und höherfrequente Impedanz an den Schaltereingängen besonders niederohmig ist. Dieser Aspekt ist nicht zu unterschätzen, wenn man Impulse im MHz-Bereich erzeugen will, denn gerade in diesem Frequenzbereich ist die Regelfähigkeit mittelschneller Opamp nicht mehr gerade das Gelbe vom Ei. Darum sieht man vor den vorgeschlagenen Opamp-Typen TL071 ein ?-Zeichen. Es ist dem Anwender freigestellt schnellere Opamps einzusetzen, nur muss man dann darauf achten, dass diese unbedingt stabil bei Verstärkung 1 arbeiten, d.h. unitygain-stable sind.

Um den Analog-Switch nicht unnötig zu belasten, kann man zwischen dem Ausgang des DG419 (Pin 1) und Ua eine einfache Impedanzwandlerstufe mittels Klein-Leistungstransistoren schalten. Man kann z.B. einen BD139 als NPN- und einen BD140 als PNP-Transistor oder wenn mehr Impulsleistung wichtig ist, z.B. BD239 (NPN) und BD240 (PNP) einsetzen. Diese Schaltung funktioniert, aber ich weiss nicht wie sie sich im MHz-Bereich genau verhält. Ich habe dies nicht getestet. Dies bleibt der Experimentierfreude des Lesers überlassen. Wozu benötigt es R3? Betrachten wir dazu den positiven Impuls. Wenn die Impulsflanke aus den negativen Spannungswerten den GND-Pegel überschreitet, dann liefert der analoge Schalter über R3 den positiven Strom zu Ua und erst dann, wenn über R3 die Spannung einen Wert von etwa 0.7 V übersteigt, leitet T1 und dieser übernimmt hauptsächlich mit dem Kollektorstrom den Impulsstrom. Die selbe Überlegung gilt für die negativen Impulse mit T2 und R3. Ohne R3 gäbe es, besonders im höheren Frequenzbereich, eine deutliche GND-Crossower-Verzerrung. R3 zieht aus dem DG419 einen maximalen Strom von etwa 3 mA, was das IC nicht nennenswert zusätzlich belastet. Je nach maximalem Impulsstrom an Ua muss man neben der sorgfältigen Wahl von T1 und T2 auch R3 anpassen. Bei sehr hohem Impulsstrom im Ampere-Bereich, sollte man für T1 und T2 Darlingtons in Erwägung ziehen. Man erkennt, dem Experimentierfreudigen bietet diese Schaltung in Bild 7 einiges an Anregung... :-)

Bild 8 zeigt eine einfache und eleganten Methode, wie man die Amplitude eines spannungssymmetrischen Impulses mit nur einem Potmeter symmetrisch steuern kann. Diese Methode nennt man das Dual-Tracking-Prinzip und kam in einem Oldtimer-Spannungsregeler, dem MC1468 von Motorola, zum Einsatz. Dieses Prinzip kommt im Elektronik-Minikurs Sicherer ICs testen, ein Hochleistungsnetzteil zur Anwendung. Will man wissen wie's genau funktioniert, lese man es dort.

Bild 9 soll darüber informieren, wie die Stromaufnahme des IC bei den hohen Schaltfrequenzen aussieht. Ich wählte beim Experimentieren die maximale Frequenz von 5 MHz. Es ist bekannt, dass CMOS-ICs praktisch keine Leistung verbrauchen, wenn kein Ausgang belastet wird. Das gilt aber nur für DC-Anwendungen oder bei relativ niedrigen Schaltfrequenzen. Bei hohen Frequenzen treten signifikante Schaltverluste auf, gegeben durch die endliche Steilheit der Schaltflanken der CMOS-Transistoren. Während des Umschaltvorganges sind beide Transistoren einer CMOS-Stufe für sehr kurze Zeit leitend und dies erzeugt einen mittleren Betriebsstrom und eine mittlere Betriebsleistung, welche durch Erwärmung des IC zum Ausdruck kommt. Leider gibt es im DG419-Datenblatt diesbezüglich kein Diagramm, was allerdings auch einleuchtet, weil der IC-Hersteller nicht damit rechnet, dass "verrückte Ideen" wie hier vorkommen, und ein Analog-Switcher mit vielen MHz zu schalten ist nicht gerade die übliche Betriebsart.

Bei einer Betriebsspannung ±Ub von beispielsweise ±12 VDC, fliesst bei 5 MHz ein Betriebsstrom Ib von 10 mA von +12 VDC nach -12 VDC. Es fliesst aber ebenso ein Strom Is durch den CMOS-Schalter von 15 mA, ebenfalls von +12 VDC nach -12 VDC, weil hier ±Us = ±Ub. Es fliesst also ein gesamter Strom von 25 mA und das bei einer Spannung von total 24 VDC, was im IC eine Verlustleistung von 600 mW erzeugt. Dabei ist an Ua noch keine Last angeschlossen! Die maximal zulässige Verlustleistung darf gemäss Datenblatt beim Dual-Inline-Package (DIP) 727 mW betragen. Man sieht mit diesem praktischen Testbeispiel wo etwa die Grenzen der Anwendung liegen. Durch Reduktion der maximalen Frequenz und/oder der maximalen Betriebs- und Impulsspannung reduziert sich die Verlustleistung drastisch, was der Impulsleistung an Ua zugute kommt, vor allem wenn keine Impedanzwandlerstufe eingesetzt wird. Wenn Is mehr als nur ein paar wenige mA beträgt, was mit dem Opamp TL071 (IC:B und IC:C in den Bildern 7 und 8) gerade noch bewerkstelligt werden kann, müssen diese Schaltungen mit Transistoren erweitert werden, wie dies Teilbild 9.3 andeutet.

Was bezweckt eigentlich R3 mit 100 Ohm am Ausgang? Bei den Analog-Switches mit CMOS-Schaltern gibt es, ganz ähnlich wie bei SC-Filtern, den sogenannten Ladungsinjektionseffekt. Dieser bewirkt bei SC-Filtern den Clockfeedthrough. Bei dieser Anwendung, sieht man bei höheren Frequenzen eine gewisse Verzerrung der Schaltflanken auf dem Oszilloskopen. Durch die Serieschaltung von R3 mit etwa 100 Ohm und einer (parasitären) Leitungskapazität von einigen 10 pF, wird dieser Effekt reduziert.



Der umgekehrte Logikpegelwandler

Es kommt im praktischen Elektronikalltag auch vor, dass man aus bipolaren symmetrischen oder auch asymmetrischen Impulsspannungen unipolare erzeugen muss. Es ist gar nicht schwierig, die Schaltungen in den Bildern 2, 3, 5 und 6 so zu ändern, dass sie als umgekehrte Logikpegelwandler arbeiten. Bild 10 möge dabei etwas auf die Sprünge helfen...

Teilbild 10.1 entspricht praktisch der ersten Stufe von Teilbild 3.1. Ein Unterschied ist der, dass hier in Teilbild 10.1 der Widerstand zwischen Basis und Emitter fehlt. Das soll so sein, damit die Schaltschwelle an Ue möglichst nahe beim GND-Pegel liegt, obwohl das nicht zwingend nötig sein muss. Es soll aber so sein, dass schon bei einer niedrigen positiven Spannung an Ue der Basisstrom bereits gross genug ist, um den Transistor T beim gegebenen Kollektorstrom so zu sättigen, dass die Kollektor-Emitter-Spannung bestenfalls etwa 100 mV beträgt. Wenn die Impulsflanke fällt, den GND-Pegel unterschreitet und T sicher öffnet, begrenzt Diode D die inverse Basis-Emitter-Spannung auf die Durchflussspannung von D. Damit wird die Basis-Emitter-Strecke von T nicht unnötig strapaziert. Wozu C1 gut sein soll, ist zu Bild 2 bereits erklärt.

Teilbild 10.2 erweitert Teilbild 10.1 in der Weise, dass der Impuls an Ua zu Ue nicht invertiert ist. Es bleibt dabei erhalten, dass der Quellwiderstand bei GND-Pegel an Ua sehr niederohmig ist.

Die Komparatorschaltung in Teilbild 11.1 gleicht sich sehr der von Bild 5. Was muss denn anders sein? Pin 3 wird mit GND verbunden. Damit stellt sich an Ua eine Impulsamplitude von +5V und GND ein. Auf eine negative Betriebsspannung kann man verzichten und Pin 6 auf GND legen. Da die Gleichtaktspannung bei diesem Komparator nicht bis auf GND (Spannung an Pin 6) zulässig ist, muss im Datenblatt diese Grenze ermittelt werden. Sie liegt bei etwa 1 V. D3 und D4 in Serie liefern eine dazu genügend präzise und niederohmige Referenzspannung von etwa 1.3 VDC an den nichtinvertierenden Eingang. Zwischen dem invertierenden und nichtinvertierend Eingang vehindern D1 und D2 wirksam, dass die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen zu gross werden kann. Da diese Spannung jedoch nicht grösser als einige 10 mV betragen muss, kann man anstelle von D1 und D2 auch einen Widerstand einsetzen, der mit R1 einen Spannungsteiler bildet. Die Schaltung, wie sie hier gezeigt wird, lässt eine maximale Frequenz von etwa 2 MHz zu. Durch Vertauschen der beiden Eingänge am Komparator erzielt man eine Impuls-Inversion von Ue nach Ua.

Teilbild 11.2 arbeitet mit dem Komparator LM339, der nicht so schnell arbeitet wie der LM319. Dieser Komparator hat mit den PNP-Transistoren in der Eingangsstufe dafür eine andere sehr erfreuliche Eigenschaft. Die Gleichtaktspannung geht hinunter bis auf den GND-Pegel (Pin 12) und darum ist eine Referenzierung mit GND möglich (Pin 4). Die maximal zulässige Differenzspannung wird nicht durch die Basis-Emitter-Durchbruchspannung der internen Eingangstransistoren bestimmt. Sie ist einzig durch die Betriebsspannung gegeben und darum braucht es zum Schutz keine antiparallelen Dioden zwischen den beiden Eingängen des Komparators, ausser es treten an Ue Üeberspannungen auf. Dazu eignet sich aber besser die Diodenschutz-Schaltung, wie sie Teilbild 6.1 illustriert, weil diese Schutzschaltung die Quelle nur im Überspannungsbereich belastet. Unterhalb der Überspannung leiten die Dioden nicht. Ein Latchup-Effekt ist nicht möglich, weil der Komparator keine FETs enthält.



Thomas Schaerer, 03.09.2007 ; 07.08.2014