Por que esse comparador não gera uma onda quadrada?

Eu tenho uma saída sinusoidal de 4.43MHz de um IC que desejo converter em uma onda quadrada TTL para usar como relógio. O sinal tem um deslocamento CC de cerca de 2,5V e uma amplitude de cerca de 0,5V pico a pico.

Tentei converter isso em uma onda quadrada de 0-5V usando um comparador de alta velocidade TLV3501 com este circuito.

O comparador parece funcionar como esperado: com RV1 em um extremo, a saída em SQ_OUT é 0V, no outro, é 5V, em um ponto aproximadamente no meio, vejo uma forma de onda. No entanto, possui um deslocamento DC e não se parece muito com uma onda quadrada.

(Acima é de 0,5V / div e tem um deslocamento CC de quase 2V).

A folha de dados mostra uma onda quadrada gerada a partir de um sinal de 50MHz, então obviamente estou fazendo algo errado. Estou usando uma placa de ensaio, mas o IC está em um adaptador com C1 e C2 soldados aos pinos. Também tentei desconectar o SQ_OUT da placa de ensaio e medir a saída no pino, mas vi o mesmo resultado. Como posso obter uma onda quadrada de 0-5V?

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Seguindo as sugestões aqui, eu alimentei o comparador com sinais variando de 500Hz a 20000Hz e compensado por 2,5VDC. Eu principalmente observei o mesmo resultado: com RV1 em um extremo, uma linha plana de 5V, no outro, 0V, e entre uma forma de onda de cerca de 0,5Vp / pe deslocamento em torno de 2,5V (o deslocamento variava dependendo do RV1).

O mais próximo que cheguei da saída esperada tinha picos baixos em 5V, mas ainda não oscilava entre 0 e 5V.

Isso parece descartar questões de escopo; portanto, deve ser o ambiente elétrico (estou usando uma tábua de pão) ou a ligação foi incorreta (o que duvido, mas certamente vou verificar triplamente e quadruplicar). Ou possivelmente um chip fracassado, o que também parece improvável.

Gostaria de saber se esses problemas podem ser um fator:

• Estou usando uma tábua de pão (embora SQ_OUT não esteja conectado à tábua de pão).
• Não há carga conectada, exceto a sonda de escopo. Anteriormente, quando eu estava alimentando 4,43 MHz, havia uma carga conectada (entrada de relógio em um AD724).
• Poderia o RV1, que é um divisor de tensão de 20K, ter muita resistência?

Editar 2

Acredito que meus problemas foram causados ​​por uma fonte de alimentação barulhenta (USB não filtrada de 5V) e agravados pela capacitância perdida da tábua de pão. Com a fonte USB, o comparador parecia ter três estados: flatline em 0V, flatline em 5V ou a tensão na entrada. Este foi o caso mesmo sem nenhum sinal, apenas 2.5VDC. Eu estou supondo que o "estado intermediário" era oscilação de alta frequência. Consegui obter a saída esperada ligando o circuito a partir de uma bateria e obtive melhores resultados quando o removi completamente da placa de ensaio. Só então obtive apenas linhas planas de 0V ou 5V sem "estado intermediário". Na placa de ensaio e fornecendo um sinal de 1000Hz, vejo uma onda quadrada de 0-5V com alguns ziguezagues e zags em torno de 2,5V, mostrando que a saída não é limpa. Acho que se eu quiser continuar com este dispositivo, precisará colocá-lo em sua própria placa e filtrar a fonte de alimentação. Obrigado a todos que contribuíram.

Um tempo de subida do osciloscópio de 10 MHz deve ser de 0,35 * 1000/10 = 35 nS.

O tempo de meio ciclo em 4,43 MHz é 500 / 4,43 = 113 nS, o que é superior a 3 vezes o tempo de subida do osciloscópio, mostrando que o osciloscópio deve ser adequado para exibir a excursão completa do sinal de saída. No entanto, o rastreamento do escopo fornecido parece que o CR / tempo de subida é limitado em excesso. Portanto, a primeira coisa a considerar é o carregamento da saída e, como a folha de dados do LM393 mostra um parâmetro para a corrente do dissipador de saída, sugiro que, na primeira instância, você tente um resistor de 4,7k entre +5 volts e SQ_OUT. Ao trabalhar corretamente na saída de uma onda quadrada limpa, eu esperaria que a forma de onda de saída do osciloscópio fosse semelhante à onda simulada pelo JonRB - devido ao limite de largura de banda do osciloscópio - embora as escalas de tensão sejam diferentes. Embora o ajuste da sonda de escopo seja importante para o trabalho digital - acredito que seja um arenque vermelho neste caso.

ATUALIZAR

@Batperson em seu comentário após a resposta do ovirt, você declarou que substituiu um LM393 que possui uma saída de coletor aberto, daí a sugestão de pullup. No entanto, este é um circuito trivial e não deve ser difícil de acertar. Primeiro uma palavra de conselho. Quando há problemas e você se encontra respondendo 'deveria' em vez de 'não' - é necessário verificar se há um elemento de dúvida. Geralmente, há uma grande diferença entre o que deveria e o que realmente está acontecendo. Por exemplo, este circuito deve estar produzindo uma saída de onda quadrada.

O que você descreve não faz sentido. Você tem um sinal de entrada de 0,5 Vp-p com polarização de + 2,5V ao terra conectado à entrada do comparador e está mudando a referência do comparador entre gnd e + 5V. Uma vez que a tensão de referência exceda a polarização do oscilador mais de 0,25V, a saída deve ficar nivelada perto da tensão. Inversamente, uma vez que a ref cai abaixo do viés menos cerca de 0,25V, ela deve ficar plana perto de + 5V. por exemplo, a saída deve ficar plana sempre que a ref estiver fora da faixa do sinal de entrada. Depois de investigar isso, pendure um C de cerâmica de 0,1uF entre ref e o solo perto dos pinos do IC e tente novamente. Em seguida, substitua a entrada do oscilador por dois 10k Rs em série e conecte entre gnd e + 5V a entrada do comparador conectada ao ponto médio. Procure a saída que muda entre a linha plana + 5V e o gnd à medida que a ref passa pelo ponto médio.

PENSAMENTOS ADICIONAIS

@Batperson, pensando um pouco mais, percebo que seus rastreamentos de escopo não fazem sentido. A única maneira (com exceção do feedback de -ve) que o circuito mostrado pode ter um viés de saída próximo do ponto médio é que a saída passe um tempo igual a + 5V e gnd (o nível resultante é a média). Isso não é evidente nas imagens 1 e 2 do escopo - parece mais qual deve ser a entrada - quase como se o IC do terra não estivesse conectado. Os testes que sugeri ontem devem ajudar a resolver isso. Seria útil se você intitulasse as figuras 2 e 3 com pontos de referência de tensão e escala ou frequência, pois isso não fica claro em seu texto. Talvez também uma foto da sua tábua de pão.

Será uma das duas coisas e mais do que provavelmente ambas:

1. A sonda que você está usando não é adequada, seja em frequência ou em sua compensação (o pequeno parafuso na lateral da sonda).

   

2. Um escopo de 10 MHz é muito lento para um sinal de 4,5 MHz

Aqui está o acúmulo de uma onda quadrada até o 100º harmônico (fundo de 4,43 MHz):

import numpy as np
from matplotlib import pylab
F= 4.43e6
t = np.arange(0, 2/F, 1e-12)
x = np.sin(2*np.pi*F*t) 
pylab.subplot(3,1,1)
pylab.title('Sinewave of increasing frequency: Fourier content of a squarewave')
pylab.plot(t,x)
pylab.grid(True)

for i in range(3,100,2):
    a = (1/i)*np.sin(2*np.pi*F*i*t)
    pylab.plot(t,a)
    x +=a

pylab.subplot(3,1,2)
pylab.title('Equivelent squarewave for summation of its harmonics')
pylab.plot(t,x)
pylab.grid(True)

y= np.zeros(len(t))

A= 10e6*2*np.pi*t[1]/(10e6*2*np.pi*t[1]+1)
for i in range(1,len(t)):
    y[i] = y[i-1] + A*(x[i] - y[i-1])
pylab.subplot(3,1,3)
pylab.plot(t,y,label='4.43MHz through 1 filter')
x = y
y= np.zeros(len(t))
A= 10e6*2*np.pi*t[1]/(10e6*2*np.pi*t[1]+1)
for i in range(1,len(t)):
    y[i] = y[i-1] + A*(x[i] - y[i-1])
pylab.plot(t,y)
pylab.plot(t,y,label='4.43MHz through 2 cascaded filters')

pylab.title('Result of passing a 4.43MHz squarewave through 1 & two 10MHz 1st order filters')
pylab.legend()

pylab.grid(True)
pylab.show()

Se a aquisição for capaz apenas de 10 MHz, os colaboradores serão atenuados e a fase mudará, produzindo uma forma de onda distorcida semelhante à que você está vendo.

A cascata de dois "filtros" de 10 MHz (um na sonda e um na entrada do osciloscópio) distorcerá ainda mais a forma de onda, resultando em um sinal mais próximo do que é observado no osciloscópio.

A média de uma onda quadrada de 0-5V é 2,5V. se o seu escopo como uma "entrada média", também produzirá uma forma de onda semelhante e tenderá para 2,5V. Fui pego várias vezes olhando para o PWM apenas para ver uma forma de onda curta muito estranha, apenas para encontrar alguém mexendo com meu escopo e ativar "16sample average"

Você deve perceber que uma onda quadrada de 4,43 MHz tem uma largura de banda muito maior que 10 MHz.

Uma onda quadrada "adequada" de 4,43 MHz conterá frequências de até 50 MHz. Isso ocorre porque uma onda quadrada é composta de uma soma total de frequências (em oposição a uma onda senoidal que é apenas uma frequência, é por isso que os EEs a usam muito).

Se você tivesse uma onda quadrada ideal de 4,43 MHz, mas a visse através de um sistema de largura de banda de 10 MHz (como o seu osciloscópio), veria uma onda distorcida em triângulo. Qual é o que você vê aqui.

Tente novamente, mas com uma frequência 10x mais baixa (ou até 100 vezes mais baixa) e veja o que você obtém.

Outras respostas abordaram as considerações de largura de banda do seu escopo etc.

Você diz que está usando o dispositivo TLV3501, mas seu circuito esquemático não corresponde às configurações de pinos mostradas na folha de dados TI TLV3501, TLV3502 - por exemplo, a saída deve estar no pino 6 ou no pino 5, dependendo do pacote (SOIC ou SOT-23 )

Seu esquema também não mostra uma conexão com o pino "shutdown" que deve ser conectado à fonte negativa - "GND" neste caso.

Se as informações fornecidas em sua pergunta forem precisas, parece que o dispositivo não está conectado corretamente (a menos que você tenha encontrado o dispositivo em um pacote não listado na folha de dados vinculada).

Como outros já apontaram, é provável que seu osciloscópio seja classificado apenas para 10MHz. Eu queria explicar por que essa é uma questão em termos mais simples e menos teóricos.

A classificação de 10 MHz significa que ele pode exibir uma onda senoidal de 10 MHz com atenuação e distorção mínimas. As classificações de frequência são sempre dadas para ondas senoidais, não para ondas quadradas.

Para entender por que uma onda quadrada exige muito mais largura de banda para exibir, você precisa entender que a frequência é determinada pela taxa de mudança ao longo do tempo. Então, na verdade, uma onda quadrada tem uma frequência muito baixa (próxima a CC ou zero) nas partes planas e, de repente, uma frequência muito alta quando transita de alto para baixo ou baixo para alto.

Se você olhar a folha de dados do comparador, ela fornecerá a taxa de variação. Essa é a taxa máxima de variação de sua produção. Também dependerá do seu circuito, mas para o exemplo deste exemplo, digamos que é 1ns / V. A saída oscilará acima de 5V, levando 5ns. Portanto, a frequência da parte de transição da onda quadrada será de 1 / 5ns ou 200MHz. Como o seu escopo é de apenas 10 MHz, ele exibirá algo como a forma de onda que você está vendo, incapaz de balançar para cima e para baixo tão rápido quanto a onda quadrada.

Uma largura de banda de 10 MHz arredondaria seu sinal, parecendo mais uma onda senoidal do que uma onda quadrada e provavelmente também causaria alguma atenuação, mas não explica por que seu sinal é 10 vezes menor do que deveria ser.

Uma causa possível desse comportamento seria ter um escopo configurado para uma sonda X1, mas na verdade usar uma sonda X10, mas isso também afetaria o nível de deslocamento DC que você parece estar dizendo que está aproximadamente correto.

Portanto, concluo que seu sistema deve ter uma largura de banda consideravelmente menor que os 10 MHz impressos no seu escopo. Portanto, ou o seu escopo é feito por um fabricante que reside (não reconheço a marca), a configuração da sua sonda não é adequada para altas frequências ou há algo errado com o circuito em teste.