Picosecond Generator pulse rise time 250ps

Wprowadzenie / Introduction

LINK do filmu (polecam na koniec)

W poniższym tekście chciał bym przedstawić bardzo prosty generator impulsów nanosekundowych, który można wykorzystać do badania zjawisk związanych z TDR (ang. time-domain reflectometer), czyli zjawisk związanych pomiarami impulsów elektrycznych w dziedzinie czasu.

In the following text I want to introduce a very simple nanosecond pulse generator that can be used to study phenomena related to TDR (time-domain reflectometer), a phenomena associated measurements of electrical impulses in the time domain.

Opis urządzenia / Description of the device

Podstawową barierą w badaniu TDR jest na ogół brak dostępu lub posiadania fabrycznego przyrządu pomiarowego, powód jest prosty taki sprzęt nie jest ani tani ani powszechny. Jednak ponosząc naprawdę niewielkie nakłady możemy sami zbudować taki układ pomiarowy. A więc co nam będzie potrzebne? Na pewno oscyloskop, najlepiej cyfrowy, (choć nie jest to konieczne) o paśmie przenoszenia min 60 MHz (500 Ms -1 GS/s) oraz źródło impulsów o czasie narastania nie większym niż 1ns i czasie trwania w przedziale 1-2 ns. Zakładam, że każdy elektronik jak i krótkofalowiec taki oscyloskop posiada, pozostaje, więc pytanie skąd wziąć albo jak zrobić taki generator impulsów? I to na pomocą przychodzi dokument firmy Linear Technology autorstwa Pana Jima Williamsa o oznaczeniu AN47 z 1991r o szybkich wzmacniaczach. Nas interesuje w nim w szczególności dodatek D (APPENDIX D) na stronach 93-95 (polecam jednak zapoznanie się z całym dokumentem.)  Opisuje on prosty układ generatora impulsów o czasie trwania ~1nS i szybkości narastania (Rise time) ~300ps. Cały układ oparty jest na dwóch blokach. Pierwszy blok to przetwornica DC-DC, i jest zbudowana z wykorzystaniem układu LT1073, drugi blok to układ właściwego generatora opartego na tranzystorze Motoroli 2N2369A. Przedmiotowa przetwornica dostarcza napięcia zmiennego, które jest następnie podnoszone w układzie diodowego powielacza napięcia (diody D1-D3) do wartości 90V. Następnie takim napięciem zasilany jest ciekawy układ generatora impulsów. Układ zasilany jest przez rezystor 1MOM (R5) a który zasila bezpośrednio tranzystor i kondensator 2pF (C2), który po naładowaniu się do napięcia ok 50V (Uce dla 2n2369 to ok 40V) wywołuje krótkotrwałe przebicie złącza CE w tranzystorze T1 i wyzwolenie impulsu. Przebicie to ma charakter przemijający i powtarza się, co ok 10uS. Teraz uwaga, co do samego tranzystora 2N2369A nie każdy tranzystor z tym oznaczeniem będzie działał, w moich prototypach najlepiej spisywały się stare wylutowane 2N2369A Motoroli wyprodukowanych w latach 1981-1985, inne tranzystory, u mnie po prostu nie chciały działać. Tranzystor pracuje w układzie wtórnika emiterowego, a jego wyjście jest za pomocą rezystora emiterowego dopasowane dokładnie do 50 Om. (jeśli ktoś chciałby badać kable o innych impedancjach musi dobrać wartość rezystorów R2, R3 do wartości impedancji kabla (np. 75 om (2×150)). Na wyjściu znajduje się gniazdo BNC najlepiej dobrej jakości z izolacją teflonową. Schemat przedstawiony został na rysunku nr 1 (schemat).

The main barrier to the study of TDR is a lack of access or possession of a measuring instrument , the reason is simple , such equipment is neither cheap nor common.
However, not spending a lot of money , can we build such a measurement system . So what we will need? Certainly oscilloscope , preferably digital , (although this is not necessary ) the frequency range of 60 MHz min (1 GS / s) and source pulse rise time of less than 1ns and duration in the range of 1-2 ns. I assume that every radio amateur electronics and the oscilloscope has the remains , so the question where to get or how to make a pulse generator ? And it comes with the document company Linear Technology by Mr. Jim Williams of the designation of 1991 AN47 for high-speed amplifiers . We are interested in him , in particular, the addition of D ( APPENDIX D ) at pages 93-95 ( but I recommend you read the entire document. ) Describes a simple layout generator pulse duration of ~ 1ns and slew rate ( Rise time) ~ 300ps . The whole system is based on two blocks. The first block is a DC-DC converter , and is built using the LT1073 , the second block is the proper generator system based on Motorola 2N2369A transistor . The present converter provides the alternating voltage , which is then raised in the voltage multiplier circuit of the diode ( D1 -D3 diode ) to a value of 90V. Then the voltage is powered pulse generator interesting layout . The system is powered by 1MOM resistor (R5) and which feeds directly to a transistor and a capacitor 2pF (C2) , which after the battery voltage up to about 50V ( Uce for 2n2369 is about 40V ) induces short- piercing connector CE transistor T1 and the liberation of the pulse. Breaking it is transient and repeated what about 10uS.  Now, note that the same transistor transistor 2N2369A not everyone with this designation will work best in my prototypes were doing desoldering old Motorola 2N2369A manufactured in 1981-1985 , the other transistors , with me just did not want to work. The transistor operates in an emitter follower transistor , and its output is via an emitter resistor to match exactly 50 ohms. (if anyone would like to test cables with other impedances must choose the value of resistors R2, R3 to the cable impedance (eg, 75 ohms ( 2×150 ).) The output is BNC best quality Teflon . diagram is shown in Figure 1 ( schematic)

Schemat / diagram:

Schemat

Wykonanie – zasilanie – obudowa / Execution – Power – Housing

Płytka drukowana jest naprawdę mała ma wymiary 42x18mm poniżej zdjęcia zmontowanego układu, zdjęcie nr 1.

The printed circuit board is really small has dimensions of 42x18mm below pictures of the assembled system, picture under…

clip_image004  clip_image006

Układ można zasilać napięciem z przedziału od 1,5V do 3V ja wykorzystałem baterie litową CR2450, choć nie powinno się z tego typu baterii pobierać prądu większego niż 0,3-0,4mA (a układ pobiera 5mA), z urządzenia korzystam już rok i nadal napięcie na baterii wynosi 3,05V. Oczywiście, jeśli ktoś będzie intensywnie korzystał, bateria ta szybko dość przestanie dostarczać wymagane napięcie. Jak widać na poniższych zdjęciach zmontowane urządzenie jest naprawdę małe i posiada całkowite rozmiary12x4x2,5cm. Zdjęcie nr 2. Na zdjęciu widać moduł generatora, przełącznik, diodę LED wskazującą zasilanie, oraz gniazdo z baterią CR2450.

The system can be supplied with a voltage range from 1.5V to 3V lithium batteries I used a CR2450, even though it should not be this type of battery charge current greater than 0.3-0.4 mA (and the system retrieves 5mA), the system I use a year and still the battery voltage is 3.05 V. Of course, if someone is intensively used, the battery is fast enough to stop delivering the required voltage. As you can see in the pictures below assembled device is really small and has a total size 12x4x2, 5cm. Photo # 2 The image shows the generator module, switch, LED for power indication, and a slot with battery CR2450.

Pomiary / Measurement

Poniżej kilka bardzo prostych pomiarów. Pierwszy pomiar pokazuje impuls generowany przez generator, pomiar czas narastania wynosi ok.1,3 nS i wynika z ograniczonego pasma przenoszenia oscyloskopu (200MHz), całkowity czas trwania impulsu ok 2,5ns. (generator mierzony na oscyloskopie o paśmie przenoszenia 2 GHz (10 GS) pokazywał Tr=280pS i całkowity czas trwania impulsu 1ns.

Here are some very simple measurements. The first measurement shows the pulse produced by the generator, the measurement of the rise time is about 1, 3 nS and results from the limited bandwidth of the oscilloscope (200MHz), the total duration of about 2.5 ns pulse. (generator measured on an oscilloscope with a bandwidth 2 GHz (10 GS) showed Tr = 280ps and the total duration of 1ns).

Pomiar nr 1

Kolejny to pomiar otwartego kabla koncentrycznego o współczynniku skrócenia 0,66. (kabel RG 178). Całkowity czas zmierzony to 17ns, w celu wyliczenia czasu propagacji, wartość tą należy podzielić przez 2 (czas mierzony na dotarcie odbicie i powrót sygnału) otrzymujemy, więc 8,5 ns, teraz wystarczy tą wartość pomnożyć przez prędkość światła (dokładniej fali elektromagnetycznej) oraz przez współczynnik skrócenia kabla tj. 0,66 (współczynnik skrócenia to wartość o ile fala elektromagnetyczna „biegnie” wolniej w danym ośrodku w stosunku do próżni). Po dokonaniu obliczeń otrzymujemy wynik długość kabla równą 1,67m (rzeczywista długość kabla wynosi 1,7m), a więc błąd pomiaru wyniósł ok 2 %.

Another is the measurement of an open coaxial cable shortening coefficient of 0.66. (RG 178). The total measured time is 17ns, in order to calculate the propagation time, this value should be divided by 2 (time to reach the measured reflection and signal return) we get, so 8.5 ns, now just this value multiplied by the speed of light (specifically the electromagnetic wave) and by a factor of 0.66, ie the cable shortening (shortening ratio value unless an electromagnetic wave “runs” slower in the medium relative to vacuum). After the calculation of the result, the cable length equal to 1.67 m (the actual cable length is 1.7 m), and hence the measurement error was about 2%.

Pomiar nr 2

Ostatni pomiar dotyczy instalacji kabla do anteny. Podobnie tutaj widzimy odbicie na końcu oraz zafalowania po środku pomiaru. I tak pierwsze to obicie na przejściu kabli, a kolejne to odbicie na odgromniku. Obliczone odległości to odpowiednio złącze w odległości 2,2m, a odgromnik w odległości 5,5m i w końcu antena w odległości 9,2m (i te pomiary są również z dokładnością 2-3 %).

The latest survey, for the installation of the cable to the antenna. Similarly, here we see the reflection at the end and waving in the middle of the measurement. And so the first is the padding on the passage of cables, and another is a reflection on the connector transition. The calculated distances are, respectively, the connector at a distance of 2.2 m, and the lightning arrester in the distance of 5.5 m, and finally the antenna at a distance of 9.2 m (and these measurements are also available with an accuracy of 2-3%).

Pomiar nr 3

Jeśli odbicie jest ponad osią oznacza to rozwarcie kabla, czyli impedancję >50 om (w stosunku do impedancji wyjściowej generatora), jeśli pod osią zwarcie lub impedancję <50 om. Pomiar jest naprawdę dokłada i ujawnia wszelkie odchyłki od impedancji kabla, w tym wszelki zawilgocenia, uszkodzenia, zagięcia itd.

If the reflection is above the axis of the cable opening means, which impedance> 50 ohms (relative to the output impedance of the generator), if the short axis or the impedance of <50 ohms. The measurement is actually adds and disclose any deviations from the impedance of the cable, including any moisture damage, bends etc.

Posumowanie /  Summary

Uważam, że to proste urządzenie, którego całkowity koszt budowy nie przekracza 100 PLN jest nie zbędnym urządzeniem i powinien posiadać go każdy elektronik, a krótkofalowiec w szczególności. Oczywiście fabryczne urządzenia posiadają dużo bogatsze możliwości, jednak cena za jaką są oferowane w stosunku do tego urządzenia jest po prostu bezsporna.
Jeśli ktoś będzie potrzebował dokumentacji (plików do wykonania proszę pisać prześle materiał) : marcin …. rf….. lab.pl (w miejscach kropek wiadomo co )

I think it’s a simple device, which has a total cost of construction does not exceed 100 PLN (30 – $ 40) is a necessary device and should have it every electronics and radio amateur in particular. Of course, the factory devices are much richer, but the price at which they are offered in relation to this device is simply indisputable.
If someone will need documentation (files to make, please write to send material) : marcin …… rf ….. lab.pl (in dots ….)

Materiały / Materials / Docu

www.linear.com/docs/4138 (Linear Technology – Application Note 47, High Speed Amplifier Techniques, Jim Williams – August 1991) – Materiały firmy Linear Technology.

W przypadku pytań proszę o kontakt:

In case of contact, please write:

Contact Us

You may contact us by filling in this form any time you need professional support or have any questions. You can also fill in the form to leave your comments or feedback.
Name:*
E-mail:*
Company:
Subject:*
Details:

* Indicates required fields