Richi´s Lab

Burr-Brown OPA541

OPA541

Der OPA541 ist ein Operationsverstärker von Burr-Brown, der in der Lage ist Ausgangsströme von bis zu 10A zu liefern (5A dauerhaft). Die Grenzfrequenz beträgt dabei 1,6MHz. Die maximale Signalanstiegszeit liegt bei 10V/µs.

Die B-Variante des Operationsverstärkers stellt die bessere Sortierung dar. Im Vergleich zur A-Variante beträgt die Offsetspannung nur maximal +/-1mV (gegenüber +/-10mV). Auch der Temperaturdrift ist etwas geringer. Während die A-Variante eine maximale Betriebsspannung von +/-35V zulässt, sind in der B-Variante +/-40V zulässig.
Im Metallgehäuse existiert zusätzlich eine S-Variante, die für einen erweiterten Betriebstemperaturbereich spezifiziert ist.

Die Beschriftung enthält die Zeichen "BeO", was höchstwahrscheinlich auf im Package enthaltenes Berylliumoxid hinweist. Berylliumverbindungen können sehr giftig sein, weswegen auf das Vorhandensein hingewiesen werden muss. Bei Berylliumoxid sind vor allem Stäube problematisch.
Dass im Package Berylliumoxid enthalten sein könnte, lässt sich auch daraus folgern, dass das Gehäuse potentialfrei ist. Um trotz einer elektrischen Isolation eine gute Wärmeleitung realisieren zu können, bietet sich der Einsatz der verhältnismäßig gut wärmeleitenden Keramik Berylliumoxid an.

 

OPA541

Das TO3-Package besitzt acht kreisförmig angeordnete Anschlusspins.

 

OPA541 Aufbau

Das Datenblatt enthält einen Schaltplan, der zeigt, dass es sich letztlich um einen klassischen Operationsverstärker mit einem Differenzverstärker, einer Spannungsverstärkung und einer Endstufe handelt.
Die Eingänge werden durch hochohmige J-FET-Transistoren dargestellt. Am Ausgang sorgen Darlingtontransistoren (rot) für die notwendige Stromverstärkung. Die Widerstände, die die Basis-Emitter-Strecken der Ansteuerungs- und der Endstufentransistoren überbrücken, sorgen für ein schnelleres Abschalten, indem sie die Basis-Emitter-Kapazitäten entladen.

Ein externer Shunt ermöglicht es den Ausgangsstrom zurückzulesen und so eine Strombegrenzung zu realisieren. Die am Shunt abfallende Spannung kann über einen Transistor (rosa) den Steuerstrom des Highside-Darlington-Transistors direkt ableiten und so dessen Aussteuerung reduzieren. Beim Lowside-Darlington-Transistor hat man einen anderen Weg gewählt. Ein zu hoher, negativer Ausgangsstrom schaltet über den türkisen Transistor den grünen Transistor durch, der den Steuerstrom des Eingangsdifferenzverstärkers ableitet. Die Basis-Emitter-Strecke des grünen Transistors ist mit einer Diode überbrückt, damit er nicht in Sättigung gerät und so schnell wieder abschalten kann. Das ist notwendig, damit der Operationsverstärker nach einer Strombegrenzung möglichst schnell wieder in den normalen Betrieb übergeht. Da die Überstrombegrenzung des Lowside-Pfads relativ viel Strom aus dem Differenzverstärker ziehen kann, ist dort eine Diode integriert (blau). Diese Diode ist normalerweise nicht leitend, bei einer Überstrombegrenzung kann aber Strom aus dem invertierenden Zweig in den nicht invertierenden fließen. Der alternative Strompfad ist vermutlich notwendig, damit die Symmetrie im unteren Stromspiegel des Differenzverstärkers einigermaßen erhalten bleibt und er so nach einem Überstromevent schnell wieder normal arbeitet.

 

OPA541 Aufbau

Wie im Datenblatt beschrieben sind alle Schaltungsteile auf einem Die integriert. Das Die ist auf einer weißen Keramik, vermutlich Berylliumoxid, befestigt. Für die Anbindung der verschiedenen Potentiale wurden Bonddrähte mit drei verschiedenen Durchmessern verwendet.

Die Zuführung der Versorgungsspannung erfolgt massiv von oben und von unten. Der Ausgang wird rechts und links des Dies abgegriffen und nach oben geführt. Im Rahmen der Möglichkeiten bietet diese Leitungsführung eine geringe Induktivität und damit eine hohe maximale Signalanstiegszeit.
Das differentielle Eingangssignal erreicht von unten das Die. Die Rückleseleitung der Überstromerkennung nimmt einen verwinkelteren Weg von der linken oberen Ecke zur rechten Seite des Dies. Da es nur parallel zum relativ ähnlichen Ausgangspotential verläuft, ist diese Leitungsführung unproblematisch.

 

OPA541 Berylliumoxid

Solange man beim Öffnen des Packages nicht in die Keramikplatte schneidet sollte das massive Berylliumoxid gesundheitlich unproblematisch bleiben. Lediglich in den Bohrungen sind minimalen Partikel zu erkennen, die aus Berylliumoxid bestehen könnten. Diese Partikel stellen allerdings kaum eine relevante Menge dar und verbreiten sich nicht ohne weiteres.

 

OPA541 Die Attach

Das Die ist im Vergleich zu Leistungstransistoren wie dem 2N3055 relativ dick, was die Entwärmung erschwert. In Fall des OPA541 liefert den größten Beitrag zum Wärmeübergangswiderstand allerdings die Keramikplatte, weswegen auf das aufwändige Abschleifen des Dies verzichtet werden kann. Während beim 2N3055 für den Wärmeübergangswiderstand vom aktiven Bereich zum Gehäuse 1,5°C/W angegeben werden, ist der OPA541 mit noch recht akzeptablen 3°C/W spezifiziert.

 

OPA541 Die

Den Großteil des Dies nehmen die Leistungstransistoren der Endstufe ein. Der eigentliche Operationsverstärker befindet sich am linken Rand.

 

OPA541 Die Opamp

OPA541 Die Opamp

Mittig des Operationsverstärker-Streifens sind die vier J-FETs zu erkennen, die über Kreuz verschaltet die zwei Eingangstransistoren darstellen.
Unter anderem bei den Eingangstransistoren befinden sich Widerstände, die mit einem Laser abgeglichen wurden.

 

OPA541 Die Endstufe

OPA541 Die Endstufe

OPA541 Die Endstufe

OPA541 Die Endstufe

Der Lowside- und der Highside-Transistor sind aus jeweils 24 Reihen mit 18 Transistoren aufgebaut.
Am Ende jeder Transistorreihe befindet sich ein zur Darlington-Verschaltung gehörender Ansteuerungstransistor. Das Basis-Potential wird von der Außenkante des Dies zugeführt.

Vermutlich um Fläche zu sparen sind nur die Emitter der Transistoren feingliedrig angebunden. Die Kollektoren besitzen zwar auch einige Zuleitungen, deren Stromfluss muss aber immer das Emitterpotential und teilweise auch einen Transistor unterqueren. An den Kollektoren ist diese Unsymmetrie zwischen den Transistorreihen weniger kritisch. Die Emitter müssen dagegen über möglichst gleiche Widerstände miteinander verbunden werden, damit sich der Strom gleichmäßig aufteilt.

 

OPA541 Die Endstufe Detail

Die Ansteuerungstransistoren der Lowside-Darlington-Kombination sind minimal anders aufgebaut als die Endstufentransistoren.
Zwischen den Ansteuerungstransistoren und den Endstufentransistoren befinden sich zwei rote, seriell geschaltete Widerstände, die die Basis-Emitter-Strecke des Ansteuerungstransistors überbrücken. Der Widerstand zwischen der Basis und dem Emitter des Endstufentransistors befindet sich am anderen Ende der Reihe.

 

OPA541 Die Endstufe Detail

Auf der Highside ist der Ansteuerungstransistor genauso aufgebaut wie der Endstufentransistor. Warum dieser unterschiedliche Aufbau zwischen den Lowside- und den Highside-Ansteuerungstransistoren gewählt wurde lässt sich nicht sicher sagen. Vermutlich wurden darüber Feinheiten der elektrischen Eigenschaften angepasst.
Auch hier sind die zwei roten, seriell geschalteten Widerstände zwischen Basis und Emitter der Ansteuerungstransistoren gut zu erkennen. Links daneben befinden sich zwei grüne Widerstände, die die Basis-Emitter-Strecke der Endstufentransistoren überbrücken.

 

OPA541 Die Endstufe Transistor

Die Transistoren haben eine Kantenlänge von ungefähr 90µm.

Der Aufbau erscheint etwas ungewöhnlich. Mittig, wo sich das Basis-Potential befindet, würde man den Emitter erwarten. Obwohl sich das Emitterpotential direkt oberhalb und unterhalb des Transistors befindet, ist er nicht direkt über die Metalllage damit verbunden.
Die einzelnen Elemente lassen sich nicht mit letzter Sicherheit identifizieren. Mit ziemlicher Sicherheit wird das Kollektorpotential zu unterst zugeführt. Darüber muss sich die Basisschicht befinden, die über das mittige Kreuz kontaktiert wird. Die Emitterfläche müsste dann auf der Basisfläche platziert und entsprechend mit den vier in den Ecken befindlichen Kontaktierungen an die zwei Metallstreifen angebunden sein. Dass das Emitterpotential nicht direkt mit den umliegenden Leitungen der Metalllage verbunden ist, lässt sich damit erklären, dass ein gewisser Emitterwiderstand notwendig, um eine symmetrische Stromverteilung garantieren zu können.

 

OPA541 Die OC

Die Anbindung des Shuntpotentials ist unspektakulär. Es wird an der Kante des Dies entlang zum eigentlichen Operationsverstärker geführt.

 

OPA541 Die Masken

Die Fertigung des Dies erforderte mindestens zwölf Masken.

 

OPA541 Die Bezeichnung

CIC02142 scheint die interen Bezeichnung des Designs gewesen zu sein.

 

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