components :: siemens :: german :: 1986 Siemens Verkuerzung der Schaltzeiten von Standard-Optokopplern Siemens Components 24 1986 Heft 5

Georg Huba

Verkurzung der Schaltzeiten

TECHNIK

von Standard-Optokopplern

Die Ausschaltzeiten von preisgiinstigen Standard-Optokopplern
liegen derzeit in der GroBenordnung von 15 bis 50 ps. Anhand von
sechs Schaltungsvarianten werden einige Moglichkeiten vorgestellt,
die Ein- und Ausschaltzeiten bis etwa 1,5 ps zu verkurzen. Damit
erOffnen sich diesen Optokopplern neue Einsatzgebiete.

Die Optokoppler der Typenreihen
SFH..., CNY... und 4N... bestehen
jeweils aus einer GaAs-Lumineszenz-
diode als Sender und einem Si-Fototran-
sistor als Empfanger. Die Ausschalt-
zeiten liegen im SAattigungsbetrieb
(s. Bild 1) derzeit in der Gr6Renordnung
15 bis 50 ps. Um diese preisgiinstigen
Optokoppler auch fiir Anwendungen, in
denen ktrzere Schaltzeiten gefordert
werden, interessant zu machen, werden
einige Schaltbeispiele vorgestellt, mit
denen Ausschaltzeiten bis etwa 1,5 us
ermoglicht werden.

Im Empfangstransistor ist die Basis-Kol-
lektor-Diode als Fotodiode ausgebildet,
die bei Bestrahlung mit Photonen einen
Basisstrom hervorruft. Bild 2 zeigt eine
Optokoppler-Ubertragungsschaltung im
Ersatzschaltbild.

Die lange Ausschaltzeit des Optokopp-
lers entsteht vor allem durch die Kapazi-
tat der Basis-Kollektor-Diode (Miller-
kapazitat C,,), deren Ladungen nur tber
den relativ niedrigen Sperrstrom der Fo-
todiode bzw. uber die hochohmige Basis-

Dipl.-Ing. (FH) Georg Huba,
Siemens AG, Bereich Bauelemente,
Anwendungstechnik, Miinchen

Siemens Components 24 (1986) Heft 5

47 Q 1kQ

eget
Io

Uce<0,4V

f ein f aus
tein Einschaltzeit
tay; Ausschaltzeit

Bild 1 Mefschaltung und Zeitdiagramm
zur Bestimmung der Verzogerungszeiten
eines Optokopplers

Bild 2 Ersatzschaltbild einer Optokoppler-
Ubertragungsstrecke

Emitter-Strecke des Empfangstransistors
entladen werden konnen. Wesentlich
kurzer (Faktor 5) gegentiber der Aus-
schaltzeit ist die Einschaltzeit, da die

Millerkapazitat durch den Photonen-

strom der Sendediode »niederohmig«

aufgeladen wird.

Demzufolge gibt es prinzipiell zwei

Moglichkeiten, die Schaltzeiten eines

Optokopplers zu verkurzen:

1. durch technologische MaBnahmen die
Millerkapazitat zu minimieren;

2. durch BeschaltungsmaBnahmen die
Entladezeit bzw. Ladezeit der Miller-
kapazitat zu verringern.

An dieser Stelle werden ausschlieBlich

Schaltungsvariationen vorgestellt, die

sich auf die Entladezeiten der Miller-

kapazitat auswirken. Dabei wird der

Optokoppler SFH 601-4 eingesetzt, der

laut Datenblatt folgende technische Da-

ten erfullt:

Stromubertragungs-

verhaltnis: 160 bis 320%,
Einschaltzeit: 6 us (10,5 ps),
Ausschaltzeit: 25 us (43 us).

Die Zeiten werden nach Bild 1 be-
stimmt.

Verwendung eines Basiswiderstandes
zur Schaltzeitverkiirzung

Die einfachste Moglichkeit, die La-
dungstrager aus der Basis abzufthren,
bietet ein Basiswiderstand Rg.

Bild 3 zeigt die Schaltung und das Oszil-
logramm bei optimiertem Rg. Mit dieser
einfachen Mafinahme lassen sich die Ein-
und Ausschaltzeiten auf etwa 3 us ver-
kurzen. Allerdings wird dadurch das
Stromubertragungsverhaltnis auf <30%
begrenzt.

Das Stromubertragungsverhaltnis, auch
CTR (current transfer ratio) genannt,
gibt das Verhaltnis von Kollektorstrom [,
des Fototransistors zu Flu8strom J;
durch die Lumineszenzdiode in % an.

Le

TECHNIK

100 Q

SFH 601/4 1kQ
| fsaicis|

Rg=12bis22kQ bei Ip =50mA
Rpe= 4bis 7kQ bei Ip-=20mA

2 us/Div 3 Us
3

Bild 3 Beschaltung des Empfangstransistors
mit Basiswiderstand R, zum niederohmigen
Ableiten der Ladungstrager und zugehoriges
Impulsdiagramm

Aufgrund der Streuungen des CTR und
der Transistoreigenschaften ist es fur
minimierte Schaltzeiten notwendig, Rp
auf jeden Optokoppler und verschiedene
Flu8stréme J; anzupassen. Bei zu gro-
Bem Rp, verlangert sich die Ausschalt-
zeit. Bei zu kleinem Rp kann der Transi-
stor nicht mehr bis zur Sattigung ausge-
steuert werden; folglich wird Ucggatr
nicht erreicht. |

Linearbetrieb des Phototransistors

Arbeitet der Phototransistor im Linear-
betrieb (Uce > Ucgsat), muB die Miller-
kapazitat nicht aus dem gesattigten Tran-
sistor hochohmig entladen werden. Da-
durch verkiirzen sich beide Schaltzeiten
auf 2 us. Allerdings hat die zur Ver-
fugung stehende Ausgangsspannung nur
eine Dynamik, die wesentlich kleiner ist
als U,. Eine nachfolgende Emitterschal-
tung ubernimmt dann die Verstarkung
auf einen gewunschten Pegel.

180

1002 sFHeova —

Bild 4 Schaltung mit Empfangstransistor im
Linearbetrieb mit Emitterverstarker und zu-
gehoriges Oszillogramm

Bild 4 zeigt die Schaltung und das Lauf-
zeitoszillogramm. Aufgrund der CTR-
Streuungen miissen auch in dieser Schal-
tung Rp; und J; auf die verschiedenen
Optokoppler abgestimmt werden.

Diodenkoppler mit Emitterverstarker

Benutzt man nur die Basis-Kollektor-
Diode des Empfangstransistors als Foto-

SFH 601/4

O 5 bis 15 V

Bild 5 Diodenkoppler mit Emitterverstarker

diode und treibt damit gemaB der Schal-
tung von Bild 5 einen Transistor in Emit-
terschaltung, erreicht man Ein- und Aus-
schaltzeiten von <5 pus. Diese Schaltzeit-
verktirzung mu jedoch mit einem auf
<100% verringerten Ubertragungsver-
haltnis bezahlt werden.

Optimierte Diodenkoppler

Die Schaltung nach Bild 5 hat den Nach-
teil, daB der Strom der Photodiode (Ip)
den Transistor einschalten mu’. Ver-
wendet man statt der Emitterschaltung
einen empfindlicheren Verstarker (OP),
kann auch eine kleinere Photodioden-
spannung (50 bis 100 mV) verarbeitet
werden. Dadurch ist es moglich, die
groBe Speicherzeit der Photodiode durch
eine niederohmige Last zu verkirzen
und damit die Verz6gerungszeit zwi-
schen J; und U, zu minimieren. Bild 6
zeigt die MeBschaltung und die Oszillo-
gramme von /; und U, bei verschiedenen
Lasten.

Eine minimale Verz6gerungszeit von
etwa 1,5 us ergibt sich mit R, = 1 bis
1,5 kQ (bei J; = 20 mA). Die verwert-
bare Fotospannung betragt dann je nach
dem optischen Koppelfaktor (zwischen
Sende- und Empfangsdiode) 80 bis
100 mV.

Fiir die digitale Signalubertragung ist es
sinnvoll, vor die Sendediode ein Diffe-
renzierglied zu schalten, das die Ein-
schaltstromspitze etwas erhoht und da-
mit die Einschaltzeit auf <1 us verkurzt.
Bild 7 zeigt die Schaltung und die beiden
Oszillogramme.

Diodenkoppler mit OP
als nichtinvertierender Verstarker

Um die Photospannung U, auf einen
gewunschten Pegel zu transformieren,
wird nach Bild 10 der OP TCA 335A als
nichtinvertierender Verstéarker (V =
100) eingesetzt. Mit dieser Schaltung
sind, gemaB Oszillogramm in Bild 10,
Schaltzeiten von <1,5 ys méglich.

Von Nachteil ist, dai die Schaltung zur
sicheren Funktion eine positive und
negative Versorgungsspannung benotigt.
Man kann jedoch mit einer Z-Diode die
zweite Spannung simulieren, ohne die
Funktion der Schaltung zu beeintrachti-
gen. Die Schaltung zeigt Bild 9.

Ersetzt man OP TCA 335A durch den
Typ TAE 1453A mit npn-Eingangstran-

Siemens Components 24 (1986) Heft 5

SFH 601/4

4 1002

10 us/Div

ohne Ry

1,5 Us 1,5 Us

0 1,25 us/Div
ees ta

Bild 6 Minimierung der Verzogerungszeit
durch Belastung der Photodiode

a Mefschaltung

b Impulsdiagramm ohne Belastung der Foto-
diode

c Impulsdiagramm mit Belastung der Foto-
diode mit 1 kQ

sistoren, funktioniert die Schaltung auch
mit asymmetrischer Versorgung. Bild 12
zeigt die Schaltung und das Oszillo-
gramm. Der etwas groBeren Speicherzeit
dieses OP steht eine kitirzere Einschalt-
zeit gegenuber.

Verwendet man anstatt der Standard-OP
einen sehr schnellen IC, z.B. den Typ
TDA 1078, mit einer Slew-Rate von
600 V/us, k6nnen die Schaltzeiten unter
1 ps gedriickt werden (s. Bild 8).

Dies ist nur scheinbar ein Widerspruch
zu den in Bild 7 gemessenen Verzdge-
rungszeiten, da der OP schon vor Errei-

Siemens Components 24 (1986) Heft 5

0,625 us/Div
mit Cg = 10 nF
—
Ir
mA
20
0
100
mV
0
0,625 us/Div
ohne Cy t >

Bild7 Verkurzung der Einschaltzeit durch
Stromdifferenzierung

TECHNIK

0,625 us/Div

iP

Bild 8 Oszillogramm einer Schaltung nach
Bild 10,

jedoch mit OP TDA 1078. Versorgungsspan-
nung nach Datenblatt U, = +8 V

chen der maximalen Photospannung in
Sattigung geht und damit das angeregte
Signal schneller aufbaut, als die Photo-
spannung ihren Endwert erreicht.

Die genannten Schaltungen sind weitest-
gehend unabhangig von den Streuungen
im Ubertragungsverhaltnis der Opto-
koppler.

Diodenkoppler mit nachfolgendem
Komparator

Eine weitere Moglichkeit, die Photodio-
denspannung zu verstarken, bietet ein
Komparator. Zu seiner sicheren Funk-
tion sind jedoch zwei Spannungen not-
wendig: eine Vergleichsspannung und
eine Eingangsspannung, die miteinander
verglichen werden. Da die Eingangs-
spannung nicht nullvoltsymmetrisch ist,
darf auch die Vergleichsspannung nicht
auf Masse geklemmt werden, sondern

Bild 9 Schaltung von Bild 10 mit asymmetrischer Versorgung

181

TECHNIK

;

Die Kathode der Empfangsdiode (Kollektor) —
kann auch auf Masse geklemmt werden

| |
0,625 us/ Div : }

reese

Bild 10 Diodenkoppler mit OP als nichtinvertierender Verstarker Bild 12 Schaltung von Bild 10 mit OP-Typ TAE 1453A und
zugehoriges Impulsdiagramm

O+ Us SFH 601/4

R, = 50 bis 70kQ
bei/p = 20 mA.

0,625 us/Div

t——>

Bild 11. Diodenkoppler mit OP als Komparator und zugehoriges Bild 13 Diodenkoppler mit OP als Komparator und zugehoriges
Impulsdiagramm Impulsdiagramm

182 Siemens Components 24 (1986) Heft 5

ma ee Oe OT ON Me ge ae et NN BG "a

sollte etwa dem Mittelwert der Eingangs-
spannung entsprechen.

Die Schaltung, die dies gewahrleistet,
zeigt Bild 11. OP 1 bildet den Kompara-
tor. Vergleichsspannung ist die Z-Span-
nung und U, ist die Eingangsspannung.
Mit R, wird ein Sperrstrom durch die
Photodiode eingestellt und bewirkt, daB
im Ruhezustand U/; = 0) U, kleiner U,
ist. Damit die Ein- und Ausschaltzeiten
etwa gleich grof sind, ist es notwendig,
U, auf U, zu symmetrieren. Dies ge-
schieht durch Abgleichen von R,. Die
GroBke von R, richtet sich nach der
Fotospannung, also nach dem FluBstrom
durch die Sendediode und dem optischen
Koppelfaktor. Schaltzeiten, die sich mit
dieser Schaltung erreichen lassen, liegen
bei 1,5 us.

Eine Schaltung, die kein nachtragliches
Abgleichen erfordert, zeigt Bild 13. Die
Vergleichsspannung wird hier durch
Siebung der geteilten Eingangsspannung
mit R3 und Cl gewonnen und hat so,
unabhangig von den Streuungen des
Koppelfaktors, immer dasselbe Verhalt-
nis zur Eingangsspannung. Auch hier
liegen die Schaltzeiten bei etwa 1,5 us.
Stehen dem Anwender dieser Schaltun-
gen schnellere Komparatoren zur Verfu-
gung, ist es eventuell modglich, die Ein-
und Ausschaltzeit unter 1 ps zu drticken,
da die hier verwendeten Operationsver-
starker selbst mit Speicherzeiten bis 1 ps
spezifiziert sind.

Die Storanfalligkeit der hier vorgestell-
ten Schaltungen ist sehr gering, da die
empfindlichen Verstarkereingange durch
den Lastwiderstand der Photodiode rela-
tiv niederohmig abgeschlossen sind.

Siemens Components 24 (1986) Heft 5

Winfried Goldbrunner

Bessere
Hochfrequenz-
eigenschaften

keramischer
Chipkondensatoren

TECHNIK

In der Hochfrequenztechnik dominieren seit jeher die Keramikkon-
densatoren. Beherrschten fruher Trapez- und Scheibenkondensatoren
die Schaltungen, so sind es heute die Vielschicht-Chipkondensatoren,
die speziell fur die Oberflachenmontage entwickelt wurden. Wegen
ihrer Kleinheit, gepaart mit exzellenten elektrischen Eigenschaften,
haben sie sich speziell in Tunern schnell durchgesetzt.

Keramische Vielschicht-Chipkondensa-
toren der Typenreihen B37940 und
B37871 sind speziell fur den Einsatz in
Tunern konzipiert. Ihre kleine Eigenin-
duktivitat in Verbindung mit niedrigem
Verlustfaktor ermoglicht Betriebsfre-
quenzen bis weit uber 500 MHz. Die
Chipkondensatoren bestehen aus einer
NDK-Keramik (NDK: niedere Dielek-
trizitatskonstante), mit der Temperatur-
charakteristik COG. Daraus folgen als
zusatzliche Vorteile:

e Frequenz- und Spannungsunabhangig-
keit der Kapazitat, :

e Temperaturunabhangigkeit von —S55
bis +125 °C.

Dipl.-Ing. (FH) Winfried Goldbrunner,
Siemens AG, Bereich Bauelemente,
Produkt-Marketing Keramikkondensatoren,
Munchen

Mechanischer Aufbau

Keramische Vielschicht-Chipkondensa-
toren werden aus Keramikfolien herge-
stellt, auf die Silber-Palladium-Elektro-
den aufgebracht und die zu monolithi-
schen Blocken zusammengesintert wer-
den (Bild 1). Die stirnseitige Kontaktie-
rung ist standardmabig in zwei Ausfih-
rungen lieferbar:

Dielektrikum
Elektrode
Kontaktierung

Bild 1 Prinzipaufbau keramischer Viel-
schicht-Chipkondensatoren

183