Frühes digitales Timing in TV-Sync-Generatoren Von der Tunneldiode zum FPGA-Baustein

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Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Von Tunneldioden bis FPGA: Präzise Synchronsignale bilden seit Jahrzehnten das Fundament professioneller Videosysteme. Der Beitrag zeigt, wie sich die Timing-Technik von analogen Triggerstufen der 1960er-Jahre zu heutigen SDI- und HDMI-Systemen entwickelt hat.

Die Synchronisation von Videosignalen erfordert seit den Anfängen der Fernsehtechnik äußerst präzise Zeitbasen. Bereits das PAL-System, 1967 in Deutschland eingeführt, stellte hohe Anforderungen an die Impulserzeugung. Zeilensynchronimpulse von exakt 4,7 µs Breite, Austastlücken, Burst-Gate-Signale und der Farbträger selbst mussten phasenkohärent und jitterarm erzeugt werden.

In den frühen 1960er-Jahren, als die Transistortechnik im UHF/VHF-Bereich noch ihre Grenzen hatte, griffen Schaltungsentwickler auf eine damals neue Komponente zurück: die Tunneldiode (Esaki-Diode). Ihre außergewöhnliche Eigenschaft – ein negativer differenzieller Widerstand bei niedrigsten Spannungen – ermöglichte Schaltzeiten im Nanosekundenbereich, die mit zeitgenössischen Bipolartransistoren kaum erreichbar waren. Heute übernehmen spezialisierte ICs, FPGAs und dedizierte Sync-Generator-Chips diese Aufgaben. Der Vergleich zwischen beiden Welten verdeutlicht, welche physikalischen Grundprinzipien unveränderlich geblieben sind.

Die Tunneldiode als Schaltelement

Das Prinzip des negativen Widerstands: Die Tunneldiode nutzt den quantenmechanischen Tunneleffekt in einem extrem hoch dotierten p-n-Übergang. Durch die geringe Sperrschichtbreite von nur wenigen Nanometern können Ladungsträger die Potenzialbarriere „durchtunneln“, ohne die klassisch erforderliche Energie aufbringen zu müssen. Das Ergebnis ist eine Strom-Spannungs-Kennlinie, die sich von allen anderen Halbleiterbauelementen grundlegend unterscheidet.

Beim Anlegen einer kleinen Vorwärtsspannung steigt der Strom zunächst steil an – bis zu einem Spitzenwert. Dann, paradoxerweise, sinkt der Strom wieder, obwohl die Spannung weiter zunimmt. Erst jenseits eines Talwerts steigt der Strom wie bei einer gewöhnlichen Diode erneut an. Dieser Bereich, in dem ein steigendes Spannungspotenzial zu einem sinkenden Strom führt, wird als Bereich des negativen differenziellen Widerstands bezeichnet – kurz NDR-Bereich. Die Diode kompensiert in Verbindung mit einer Induktivität die Verluste des Schwingkreises und erzeugt ungedämpfte oder definierte Kippschwingungen mit steilen Flanken.

Kenndaten der verwendeten Typen: Die im Originalartikel verwendeten Typen TD-9 und 1N2929 sind beides Germanium-Tunneldioden, wie sie in den 1960er-Jahren in den USA gefertigt wurden. Die TD-9 ist mit einem Spitzenstrom von etwa 10 mA für Triggerschaltungen mit größeren Lasten ausgelegt, während die 1N2929 mit rund 1-mA-Spitzenstrom eher für Logik- und Timing-Aufgaben vorgesehen war. Beide arbeiten mit Spannungen weit unterhalb eines Volts im NDR-Bereich – typisch zwischen 60 und 70 mV am Spitzenpunkt. Die niedrigen Betriebsspannungen führten zu einer ungewöhnlichen Versorgung mit −3 V. Entscheidend war, den Arbeitspunkt der Tunneldiode exakt im NDR-Bereich zu halten. Der Siemens-Typ BD1 lag mit etwa 5-mA-Spitzenstrom zwischen den amerikanischen Varianten und wurde vor allem in HF-Oszillatoren eingesetzt.

Die Triggerschaltung als Timing-Kern

Die hier betrachteten Schaltungen entstammen dem Artikel „Build tunnel-diode pulse generators“ (Electronic Design, Heft 13/1968, S. 74–80, deutsche Übersetzung in ELEKTRONIKPRAXIS Nr. 11/1968). Der Artikel beschreibt einen Pulsgenerator für allgemeine Anwendungen und keine TV-Sync-Schaltung im engeren Sinne. Er steht hier exemplarisch für den Stand der Impulstechnik, auf dem frühe Sync-Generatoren der PAL-Ära aufbauten. Das beschriebene Grundproblem war dabei dasselbe: Bis dahin war die fast einzig mögliche Antwort auf den Bedarf nach schnellen, stabilen und in ihrer Impulsbreite veränderbaren Pulsgeneratoren das Verwenden logischer Schaltkreise oder Sperrschwinger.

Die Grundschaltung verwendet zwei TD-9 als gegenein­andergeschaltetes Ausgangspaar (CR1 und CR2), getrieben von einem Transistordifferenzverstärker mit zwei schnellen 2N2369. Dieser Transistortyp war damals mit einer Transitfrequenz von rund 500 MHz für Nanosekundenanwendungen geeignet.

Das Herzstück der Schaltung ist die Induktivität L1 in Reihe mit einem Vorwiderstand von 100 Ω, parallel zu den Tunneldioden geschaltet. Sobald ein kurzer negativer Eingangsimpuls den Generator triggert, gehen die Tunneldioden in den leitenden Zustand über und verbleiben dort für eine Zeit, die ausschließlich von L1 bestimmt wird. Das im Originalartikel angegebene Diagramm zeigt diesen Zusammenhang eindrücklich: Über drei Dekaden der Induktivität – von 10 µH bis 10 mH – lässt sich die Ausgangsimpulsbreite kontinuierlich von etwa 20 ns bis in den Mikrosekundenbereich einstellen. Der Austausch einer einzigen passiven Komponente genügt, um die Schaltung auf jeden gewünschten Timing-Wert abzustimmen. Die Rückkopplung der Ausgangsspannung zum Eingang über R5 (3,9 kΩ) ist eine weitere charakteristische Eigenheit. Sie stabilisiert den Arbeitspunkt und verhindert, dass eine wechselnde Ausgangsbelastung die empfindliche Tunneldiodenstufe aus ihrem NDR-Bereich herausdrückt.

Ausgangssignale und Varianten: Werden zwei gegeneinandergeschaltete Tunneldioden CR1 und CR2 verwendet, so schaltet ein negativer Eingangsimpuls den Strom von Transistor Q1 nach Q2. An Ausgang 1 erscheint dabei ein bipolarer Impuls, an Ausgang 2 ein unipolarer negativer Impuls. Kehrt man die Polarität von CR1 und CR2 um, entsteht an Ausgang 2 ausschließlich ein positiver Impuls, der gegenüber der Vorderflanke des Triggerimpulses um die durch L1 bestimmte Zeit verzögert ist. Damit war eine steuerbare Impulsverzögerung realisiert – mit einem einzigen passiven Baustein als Stellelement. Der Originalartikel beschreibt zwei weitere Varianten. Für positive Impulse in Phase mit der Triggerflanke wurden die Tunneldioden an den Kollektoranschluss von Q1 verlegt, die Transistoren gegen pnp-Typen ausgetauscht und die Versorgungsspannung auf +3 V geändert. Zur Realisierung eines sperrbaren Impulsgenerators wurde ein Übertrager vom Typ Sprague R1142 (1:3) in Reihe mit dem Emitterwiderstand eingesetzt. Ein zusätzlicher Steuerimpuls kompensiert dabei das Ansteuersignal an R4 und verhindert so das Umschalten der Tunneldioden.

Temperaturverhalten und Kompensation: Ein praktisches Problem der Tunneldiodenschaltung war ihre Temperaturempfindlichkeit. Der Originalartikel gibt an, dass die Schaltung im Bereich von −20 °C bis 60 °C Impulsbreitenänderungen von bis zu ±20 % aufweisen kann – bezogen auf den Wert bei +25 °C. Als Abhilfe empfiehlt der Artikel ein einfaches Temperaturkompensationsnetzwerk: Ein NTC-Widerstand von 1,8 kΩ parallel zum Emitterwiderstand R4 (3,9 kΩ) reduziert die Abweichung auf unter 1 % über den gesamten Temperaturbereich. Diese Lösung ist typisch für die ingenieursmäßige Pragmatik der Zeit – kein Regelkreis, kein aktiver Abgleich, sondern ein passives Kompensationsnetzwerk mit zwei Bauteilen.

Bedeutung für TV-Sync-Generatoren: Im Kontext eines TV-Sync-Generators der frühen PAL-Ära konnten solche Schaltungen konkrete Aufgaben übernehmen. Der Horizontalsync-Pulsformer benötigte eine exakte Impulsbreite von 4,7 µs – erreichbar mit einer L1 im mittleren Mikrohenry-Bereich. Das Burst-Gate-Fenster für den PAL-Farbträger musste rund 2,25 µs nach dem Sync öffnen, die schmalen Equalizing-Pulses während des Vertikalblankings hatten eine Breite von 2,35 µs. All das lag komfortabel im einstellbaren Bereich der Schaltung.

Der Vorteil gegenüber RC-Zeitgliedern: Im Nanosekundenbereich werden RC-Schaltungen durch parasitäre Kapazitäten zunehmend unberechenbar. Die Induktivität L1 zeigt in diesem Bereich ein stabileres Verhalten, da ihre Zeitkonstante weniger von unkontrollierbaren Streukapazitäten beeinflusst wird.

Der Weg zur integrierten Schaltung

Die TTL-Ära ab Mitte der 1960er-Jahre: Mit der Einführung und Verbreitung der TTL-Familie (7400er-Serie) ab etwa 1965 verloren Tunneldioden-Schaltungen für allgemeine Timing-Aufgaben rasch an Bedeutung. Monoflops wie der 74121 oder der 74123 boten RC-einstellbare Impulsbreiten, standardisierte 5-V-Pegel und eine massentaugliche, reproduzierbare Fertigung. Die Entwicklungszeit für eine neue Timing-Stufe sank von Tagen auf Stunden.

Die Tunneldiode überlebte in dieser Phase nur dort, wo TTL schlicht nicht schnell genug war: in der Radartechnik, in der Kernphysik-Messtechnik und in militärischen Timing-Systemen, wo Schaltzeiten unter 1 ns weiterhin gefragt waren.

Dedizierte Sync-Generator-ICs der 1970er- bis 1990er-Jahre: Die erste Generation spezialisierter Sync-Generator-Chips – darunter der EL4581 und Bausteine der Philips SAA-Serie – integrierte sämtliche Timing-Funktionen auf einem einzelnen Chip. Intern arbeiteten diese ICs mit quarzreferenzierten Zählerketten, die alle PAL- und NTSC-Timingrelationen rein digital erzeugten. Die Impulsgenauigkeit stieg auf ±10 ns, der Jitter auf unter 2 ns RMS. Solche Werte wären mit diskreten Tunneldiodenschaltungen nur mit erheblichem Aufwand erreichbar.

Für den Schaltungsentwickler bedeutete das einen grundsätzlichen Wandel. Statt eines analogen Arbeitspunkts, der in den NDR-Bereich einer Germaniumdiode eingestellt werden musste, genügte nun die Konfiguration von Zählerständen und Taktteilverhältnissen.

Moderne Sync-Generatoren: SDI und HDMI

SDI – Serial Digital Interface: Das serielle digitale Schnittstellenformat SDI, definiert in den SMPTE-Normen 259M, 292M und 424M, stellt fundamental andere Anforderungen als das analoge PAL-System. Sync-Signale existieren hier nicht mehr als eigenständige Impulse auf separaten Leitungen, sondern als eingebettete Datenwörter im seriellen Datenstrom – die sogenannten EAV- und SAV-Worte (End of Active Video, Start of Active Video).

Das eigentliche Timing-Problem verlagert sich damit von der Impulserzeugung zur Taktrekonstruktion und Jitterunterdrückung. Bei HD-SDI mit 1,485 GBit/s beträgt ein einzelnes Zeitintervall zwischen zwei Datenbits – das sogenannte Unit Interval – knapp 673 ps. Die erlaubte Jitter-Abweichung liegt bei einem Bruchteil davon. Zum Vergleich: Die Tunneldiodenschaltung von 1968 arbeitete mit Toleranzen, die um den Faktor mehrerer Tausend größer waren.

Die technische Lösung sind dedizierte Clock-Recovery-ICs wie der Semtech GS3590 oder der Gennum GS2971, die aus dem ankommenden Datenstrom selbst den Takt rekonstruieren und dabei Jitter aktiv durch integrierte PLL-Strukturen unterdrücken. Das Grundprinzip – eine Phasenregelschleife gleicht Abweichungen kontinuierlich aus – ist jedoch konzeptuell verwandt mit der Rückkopplungsstruktur der Tunneldiodenschaltung von 1968: Auch dort diente die Rückkopplung dazu, den Arbeitspunkt gegen äußere Störungen zu stabilisieren.

House Sync und Black Burst – die direkte Linie zur Tunneldiode: Bemerkenswert ist, dass der klassische analoge Sync-Generator im professionellen Broadcast bis heute nicht vollständig verschwunden ist. Black Burst – ein vollständiges PAL- oder NTSC-Videosignal ohne Bildinhalt – und Tri-Level Sync für HD-Anwendungen werden weiterhin als sogenannter House Sync in Broadcast-Infrastrukturen eingesetzt, um alle Geräte eines Studios auf eine gemeinsame Zeitbasis zu synchronisieren.

Moderne House-Sync-Generatoren wie der Evertz 5601MSC erzeugen diese Signale mit FPGA-basierten Genlock-PLLs. Die physikalische Anforderung jedoch – jitterarme Sync-Impulse mit definierter Flankensteilheit auf 75-Ω-Koaxialkabel – ist exakt dieselbe wie in den Studios der frühen PAL-Ära, die ihre Sync-Impulse noch mit Schaltungen ähnlich der hier beschriebenen erzeugten.

HDMI und die versteckte Sync-Problematik: HDMI kennt keine expliziten Sync-Impulse im klassischen Sinn. Horizontal- und Vertikalsync sind als Steuersignale tief im TMDS-Datenstrom verborgen. Dennoch ist präzises Timing fundamental: Der HDMI-2.1-Standard mit einer Datenrate bis zu 48 GBit/s erfordert Clock-Jitter, der bei einem 600-MHz-Pixeltakt im Bereich von rund 150 ps liegt.

Für den Schaltungsentwickler bedeutet das, dass die physikalische Herausforderung zwar auf einer völlig anderen Abstraktionsebene gelöst wird – durch spezialisierte Display-Timing-Controller wie den Parade PS8625 oder Bausteine von Texas Instruments –, die zugrundeliegende Fragestellung aber dieselbe ist wie 1968: Wie erzeugt man ein zeitlich definiertes Signal mit minimalem Jitter, stabiler Flankensteilheit und ausreichender Störfestigkeit gegenüber der Ausgangsbelastung?

Was sich nicht geändert hat

Trotz des enormen Sprungs von der Germanium-Tunneldiode zum programmierbaren Logikbaustein lassen sich drei Grundprinzipien identifizieren, die über alle Generationen hinweg invariant geblieben sind.

Das Timing-Element als physikalische Grenze: In der Tunneldiodenschaltung war es die Induktivität L1, die die erreichbare Impulsgenauigkeit begrenzte – durch parasitäre Kapazitäten, Kernverluste und Temperaturkoeffizient. Heute ist es das Phasenrauschen des Referenzquarzes und das thermische Rauschen in den Filterschaltungen der Phasenregelschleife, die die Jitter-Grenze setzen.

Der Kompromiss zwischen Schaltgeschwindigkeit und Störfestigkeit: Die Ausgangspegel von ±0,8 V der 1N2929-Schaltung sind kein Zufall: Sie entsprechen dem Spannungshub zwischen Spitzen- und Talwert der Tunneldiodenkennlinie – dem maximal erreichbaren Signalhub bei geringstmöglichem Energieeinsatz. Moderne LVDS-Signale für SDI-Verbindungen arbeiten mit einem Differenzpegel von 350 mV – aus exakt demselben ingenieursmäßigen Kompromiss: minimale Energie, maximale Schaltgeschwindigkeit, ausreichende Störabstandsreserve.

Entkopplung als universelles Prinzip: Die Dioden CR1 und CR2 in der Tunneldiodenschaltung dienen der Lastimpedanz-Entkopplung. Der Ausgangskreis soll die empfindliche NDR-Stufe nicht destabilisieren. In modernen SDI-Transmittern übernimmt ein 75-Ω-Abschlusswiderstand in Kombination mit einem Ausgangstreiber definierter Impedanz exakt dieselbe Funktion. Das Prinzip – Signalquelle vom Verbraucher entkoppeln, damit die Last keinen Rückwirkungseinfluss auf den Oszillator oder Taktgeber hat – ist in sechzig Jahren unverändert geblieben.

Fazit

Die Tunneldioden-Schaltung von 1968 zeigt, wie früh zentrale Probleme der Sync-Erzeugung bereits verstanden waren: stabile Zeitbasen, steile Flanken, definierte Pegel und ein möglichst geringer Einfluss von Temperatur und Last. Gelöst wurde das damals mit diskreten Bauelementen und erheblichem Schaltungsaufwand. Moderne HD-SDI- oder HDMI-Timing-Systeme arbeiten heute mit programmierbarer Logik und hochintegrierten ICs. Die grundlegenden Anforderungen an Timing, Signalqualität und Stabilität sind jedoch geblieben. (mr)

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