서부에서 가장 빠른 상승 시간: 정말 빠른 펄스 에지 만들기

초보자 엔지니어로서 오실레이터에 대해 배울 때 오실로스코프나 교과서에서 다양한 파형을 볼 수 있습니다. 이것은 사인파, 톱니파, 사각파 등이라고 합니다. 우리는 화면의 선을 이상적으로 보는 방법, 구형파는 실제로 정사각형이며 저전압에서 고전압으로의 전환이 즉각적으로 이루어지도록 배웠습니다.

대부분의 경우 이 가정은 무해합니다. 주제를 좀 더 깊이 살펴보면 순간적인 절벽처럼 보였던 것이 실제로는 매우 가파른 경사면이라는 것을 알 수 있습니다. 그러나 회로가 밀리초 단위로 작업을 수행하는 경우 일반적으로 나노초 단위로 측정된 전환 시간을 무시해도 아무런 해가 없습니다. Arduino 프로젝트의 글루 로직에는 시간이 걸릴 수 있습니다.

하지만 때로는 로직 전환의 상승 시간이 중요할 때도 있습니다. 이 기사를 촉발한 응용 프로그램은 예를 들어 '스코프가 대역폭을 초과하는 펄스를 얼마나 빨리 따라잡는지 살펴봄으로써 오실로스코프 대역폭을 측정하는 것입니다. 장비가 모든 일반적인 펄스 발생기의 전환 시간을 측정할 수 있으면 평범하지 않은 것이 필요합니다. 따라서 일상적인 회로에서 예상되는 상승 시간을 살펴보고 훨씬 더 빠른 상승 시간을 생성하는 몇 가지 기술을 검토하는 것이 좋습니다.

일반적인 트랜지스터의 데이터 시트를 보면 스위칭 특성에 대한 섹션을 찾을 수 있습니다. 널리 사용되는 범용 트랜지스터 2N3094를 예로 들면 최대 상승 시간이 35nS라는 것을 알 수 있습니다. 따라서 베이스에 완전 정사각형 전환을 적용하면 컬렉터에서 해당 변경이 최대 35nS 후에 완료됩니다. 다소 빠르게 들릴 수도 있지만 이는 7.14MHz를 조금 넘는 사인파의 상승 시간에 해당합니다. 물론 2N3904는 소신호 모드에서 훨씬 더 높은 주파수에서 작동할 수 있지만, 전체 범위를 통과해야 한다면 7.14MHz에 머물게 됩니다.

전환 시간이 더 빨라지면 논리 게이트와 같은 구형파 전환을 위해 설계된 구성 요소로 직접 연결되는 경로를 기대할 수 있습니다. 그러나 우리가 그 여정을 시작하기 전에 전자적이지도 않고 기계적인 매우 빠른 상승 시간의 놀라운 원인이 있습니다. 수은 접촉 릴레이는 모세관 현상에 의해 접점이 수은으로 코팅되는 리드 릴레이 유형입니다. 메커니즘은 스프링 접촉이 접촉하는 것이 아니라 서로 결합하는 액체 수은 방울의 메커니즘이므로 이는 즉각적인 접촉을 생성합니다. 이 접촉 시간은 나노초보다 훨씬 짧습니다. 즉, 릴레이 주변의 나머지 회로와 전환되는 전압이 상승 시간을 제어하므로 매우 빠른 시간이 달성될 수 있습니다. 운이 좋게도 이 기사를 위해 수은 습식 릴레이를 빌릴 수 있었고, 오실로스코프 프로브를 통해 측정된 10K 저항으로 로직 레벨을 전환할 때 인상적인 4.6nS 상승 시간을 측정할 수 있었습니다. 이를 위해서는 리드 길이와 세라믹 디커플링 커패시터를 정리하고 이 길이로의 전환을 단축하기 위해 약간의 주의가 필요했습니다. 추가 조치를 취하면 이 수치에서 더 많은 시간을 단축할 수 있을 것입니다.

로직 게이트는 빠른 전환에 최적화되어 있으며 이에 따라 앞서 고려한 2N3904보다 더 빨라야 합니다. 전형적인 로직 게이트 제품군은 물론 TTL 장치의 74 시리즈입니다. 이 장치에는 1960년대에 이 시리즈가 처음 등장한 이후 특성이 계속 개선되는 다양한 변형이 있습니다. 우리는 우리가 손에 넣어야 했던 유일한 오리지널 74 시리즈 장치인 7410 3입력 NAND 게이트 칩을 찾아냈습니다. 데이터 시트에는 일반적인 저-고 상승 시간이 11nS로 나와 있습니다. 아마도 우리 장치는 '스코프가 7.1nS로 측정됨'만큼 더 나은 장치 중 하나였을 것입니다. 이는 약 35.2MHz에서 사인파의 상승 시간에 해당하지만 이 수치는 7410 성능 범위의 이론적 상한 최대치에 해당하며 실제 사용 가능한 수치는 오히려 이보다 낮습니다. 그래도 2N3904보다 낫지만 확실히 더 많은 것을 달성할 수 있습니다.