負電圧レベル変換回路

質問

-1.0V,-1.7VのECL出力ICを0V（±0.5V),-3V（±0.5V)でON/OFFするスイッチICに接続して動作させたいと考えています。
この間に入れるレベル変換回路でなるべく簡単な良い回路はありませんでしょうか？
ご教授願います。

回答No.7

tance · ベストアンサー

再度、tanceです。

やっぱり、そう簡単ではないようです。この回路ではおそらく立ち下がり
時間は400psecくらいになると思います。負荷が0.7pF以下ならOKかも、
と書きましたが、計算間違いがありました。失礼しました。

単純に言って、振幅の10%～90%の立ち上がり（下がり）時間は時定数の
約2.2倍になります。立ち上がり（下がり）時間を200psecにするには
時定数は91psec以下でなくてはなりません。負荷やトランジスタ自体の
容量の合計が1pFだとすると抵抗は91Ω以下にする必要があります。

ここに3V加わるので、流す電流は約33mAとなります。
国産小信号PNPトランジスタで最高のスピードを誇る2SA1978では20mA
くらいまでしか流せないと思います。もっとパワーのあるトランジスタ
もあるのですが、ほとんどNPNです。

NPNで構成してプロパゲーションディレイをバランスよくするには
能動領域で動作させる必要があり、よく見るエミッタ（ソース）共通の
差動アンプのような回路になってきます。

そうすると、NECLとのつなぎが面倒です。

前回の図より、一段高級な回路を描いてみました。これも、簡単には
動かないと思いますが・・・
トランジスタはCob, Coeの小さいものを選び、Icが100mAくらいとれる
もので、Pcができれば数100mW以上のものを選びます。もちろんfTは
5GHzくらい以上は必要です。スイッチICの入力容量を含めて1pF以下を
目指してください。

ECLとの間のレベルシフトは470Ωを半固定抵抗にして可変できる
ようにしておいた方が良いかもしれません。いずれにしてもこの部分
が浮遊容量の元になるので、いかに小さく作るかがミソです。

この回路の方が前のより現実味があります。トランジスタの選択に
よっては、発振に悩まされるかもしれません。このあたりが難しい
ところです。

お礼

ご丁寧にこんな回路図まで描いていただきありがとうございます。
まだ初心者の私には難しいですが、
今までの話を元にまずは始めてみたいと思います。
実際、実験してみないことには感覚も掴めないとも思いますし。

本当にありがとうございました。

回答No.9

tance

tanceです。

＞振幅=３Ｖ，Tr/Tf=200psなんていう回路を、ディスクリートで作ろう
なんて正気の沙汰とは思えない

おっしゃる通り！　正気の沙汰ではありません（笑）

ワイヤボンディングができる、ということで話が少し変わってきたと
思っています。反射やミスマッチが起こってもそれがTr/Tfの時間
内に収束するくらい小さく組めば、もはや集中定数回路と同じです。
なので、ワイヤボンディングが必須となります。

トランジスタもワイボン用のを探せば可能性が見えてくると思います。
重要なポイントはエミッタをGNDしなくても使える石を探すことです。
（残念ながら、私はそのような石を具体的には知りません）

1989年、まだチップ部品なんていうものも無い時代に25psecで
サンプリングするサンプリングヘッドがディスクリートで出来ている
のを見て感動しました。（テクトロニクス S-4)

正気の沙汰ではないのは事実ですが、不可能ではないと信じます。

回答No.8

rabbit_cat

振幅=３Ｖ，Tr/Tf=200psなんていう回路を、ディスクリートで作ろうなんて正気の沙汰とは思えない、と思う自分はまだ未熟者なんでしょうか。。
信号自体の速度はどれくらいなんでしょう。Tr/Tfから普通に考えるとGbpsオーダーってことですよね。たとえできたとしてもインピーダンス合わせないと反射とか起こって使い物にならない気もしないではないんですが。
うーん。多分、私が未熟なだけなんでしょうね。本物のアナログ回路の専門家にかかればできてしまうんですね。

回答No.6

tance

tanceです。

回路を描いてはみたものの、これはプロパゲーションディレイが大きくて
使えないかもしれませんね。立ち上がり、立ち下がりの速さだけの
問題なら繰り返し周波数が低ければ問題ないかもしれません。
（立ち上がりと立ち下がりのプロパゲーション時間の差が大きい）

後段の石を飽和させないような改良が必要でしょう。ショットキ
ダイオードをベース～コレクタに入れるとか・・・

それもただ入れただけだと余り効かないかもしれないので、終段に
ベース接地を一段入れるとか・・・

やはり一筋縄ではいかないかもしれません。あくまでスタート点だと
思って見てください。

回答No.5

tance

tanceです。
＞＞このスイッチICはどのように使うことを想定して作られて
＞＞いるのでしょう。
＞これはメーカに対して投げかけているのでしょうか？

そのICのデータシートに何か標準アプリケーションが出ていないかと
思ったものです。

差し支えなければ、そのICのメーカと型名を明らかにしていただければ
もう少し役に立つ情報が提供できるかもしれません。

ボンディングをいとわない状況ならトランジスタで頑張ってみますか？
とても、「これなら大丈夫」という回路を示すことはできませんが、
スタート点の例を示すことはできます。

図は、そのままでうまく動くとは限りませんが、これを元に改良して
いけば何とかなるかもしれません。？？？の抵抗は発振防止と
インピーダンスマッチングの観点で入れてみました。Qと/Qはモード
によっては逆にしてください。

スイッチICの入力インピーダンスが相当シビアです。容量は0.7pF
くらいだとこのままでもそれなりのスピードで動くかもしれません。
トランジスタのベースに直列に入るインダクタンスを極力少なくして
ください。同時にベース～エミッタの容量も極力減らしてください。

これを元にいじってもうまくいかないと、相当大変です。

回答No.4

tance

tanceです。

スイッチのスピードは90～100psecのようですが、これはON, OFFの
切り替え時間のことでしょうか。よくあるケースとして、スイッチ
ONのときにはこのくらい速い信号まで通せるけど、OFFからONへの
切り替え時間は20nsecかかる・・・なんていうものが多いので、
念のためご確認をお奨めします。

しかし、このスイッチICはどのように使うことを想定して作られて
いるのでしょう。高速パルスジェネレータ出力は2Vppくらいまで
出せるものはありますが、それでも出力アンプは相当難しい作りに
なっています。少なくともワイヤボンディングでなくては作れない
設計ばかりです。

補足

毎回、ご回答ありがとうございます。

スイッチICのデータシート上に時間に関するスペックはこれしか書いておらず、
これがON,OFFの切り替え時間だと思っていますが・・・

＞このスイッチICはどのように使うことを想定して作られて
いるのでしょう。
これはメーカに対して投げかけているのでしょうか？
ひとつ言えることはこのスイッチICはワイヤボンディングで接続するものです。

回答No.3

tance

tanceです。

リンク先は
http://www.yokogawa.co.jp/opt/modules/electric/opt-B9977XT-XS-ja.htm
です。途中ハイフンが消失していました。失礼いたしました。

3Vppもの振幅を要するICがそんなに高速に動くのでしょうか。

もちろん、きちんと設計すればトランジスタでレベル変換回路を作る
ことは不可能ではありませんが、ここで回答できるほど簡単では
ありません。普通に設計すると、ON,OFFの途中のどこかのタイミング
で、数10GHzの発振をしたり、思ったスピードが出なかったり、
相当苦労することになるはずです。トランジスタの選択からして
ノウハウがあります。変換回路に必要な周波数特性はDCから1.8GHz
くらいまでフラットな必要があります。fT=6GHzくらいの石を使えば
妙な発振に悩まされないかもしれません。

もしも、信号が繰り返し性の高いものだったりすると、話は違って
くるかもしれません。（トランスが使えるとか）ミニサーキットなどの
アンプか何かで使えそうなものを探すもの手です。

補足

ご回答ありがとうございます。

スイッチICのデータシートを見ますと
Switching Speed 10%-90% rise time 100ps
90%-10% fall time 90ps
と書いてあります。

トランジスタでレベル変換回路を作るのは容易ではないのですね。
参考文献や参考になるwebサイト等ありましたらご紹介願います。

回答No.2

tance

tanceです。
200～300psecですか・・・。ちょっと困りましたね。このような信号
を3Vppで振幅させるだけでも大変です。この3Vppという振幅は何とか
ならないのでしょうか。普通、3Vも必要なロジックはもっと遅いはず
です。

振幅さえ何とかなれば（普通のPECLで足りれば）レベルシフトをこの
スピードで行うことはできます。

どうしてもであれば、LN結晶のドライバかなにかを使えば何とか
なりますが、ちょっと贅沢すぎますね。例えばこんなものです。

http://www.yokogawa.co.jp/opt/modules/electric/opt-B9977XTXS-ja.htm

他にも探せば適当な素子があるかもしれません。

補足

早速の回答ありがとうございます。
3Vppの振幅は後ろのスイッチICの仕様なので変更できないのです。
0.6>0>-0.4V Off
-3.5>-3>-2.5V On　とデータシートに書いてありますので。

あと、ご指定していただいたリンク先が不明となってしまいます。

とにかく簡単な構成では難しそうだということだけは分かってきました。

回答No.1

tance

ECLをお使いですので、高速の信号だと思いますが、そのスピードを
落とさないで0～-3Vのロジックレベルに変換するのは、トランジスタ
で組めるものではありません。（相当難しいという意味です）

スピードが遅ければトランジスタ１個で多分いけると思いますが、
立ち上がり、立ち下がり時間のどちらかはμsecのオーダになると
思います。

立ち上がりと立ち下がりのどちらが重要かとか、どのような電源が
得られるのかによって回路はいろいろ考えられます。

補足

ご回答ありがとうございます。
トランジスタではμsecですか・・・
当方の目標値は立ち上がり、立ち下り共に0.2～0.3nsecと大変高速な値です。
立ち上がりと立ち下がりのどちらが重要かと言われれば立ち上がりですが、極端に立ち下がりがダラダラでは困ってしまいます。
例えば立ち上がり0.2nsecで立ち下り0.3nsecとかです。
あと、電源は正でも負でもどの値でも得られるとお考えください。
いろいろと説明不足で申し訳ありません。