Der Intersil ICH8530 ist ein Hochleistungsoperationsverstärker, der mit bis zu
30V versorgt werden kann und einen Strom von bis zu 2,7A ermöglicht.
Neben
dem ICH8530 konnten die schwächeren Varianten ICH8520 (2A) und ICH8510 (1A)
bezogen werden. Folgt auf
die Typbezeichnung ein I, so handelt es sich um die industrielle Variante. M
steht für die militärische Variante, die über einen größeren Temperaturbereich
bessere Spezifikationen aufweist.
Eine Grenzfrequenz ist für den ICH8530
nicht angegeben. Aus den Diagrammen des Datenblatts lässt sie sich mit etwas
mehr als 100kHz abschätzen. Das Einsatzgebiet ist vor allem die Steuerung einfacher Aktuatoren,
wo eine hohe Grenzfrequenz nicht notwendig ist.
Im Gehäuse befindet sich ein Keramikträger aus Berylliumoxid. Die Beschriftung auf dem Package enthält keine Warnung vor dem Material, das Datenblatt weist aber darauf hin.
Der ICH8530 besteht neben einigen passiven Bauteilen aus zwei großen Leistungshalbleitern und zwei integrierten Schaltkreisen.
Die Kontaktflächen der Bauteile sind kaum mit Lötzinn bedeckt, was die Frage aufwirft wie robust diese Verbindungen sind.
Im Datenblatt des ICH8530 ist ein Schaltbild abgedruckt. Am Eingang befindet sich demnach ein 741-Operationsverstärker, enthalten im untern, kleineren Die. Abgesehen von diesem Operationsverstärker, einiger weniger passiven Bauteile und den Endstufentransistoren sind alle weiteren Bauteile auf dem oberen, größeren Die integriert. Das Datenblatt beschreibt diesen integrierten Schaltkreis als speziellen Treiber mit der Bezeichnung BL8063.
Der Schaltplan enthält einen Fehler. Im zweiten Die
sind zwei Spannungsregler integriert, die den Operationsverstärker am Eingang mit +/-13V versorgen.
Die
Spannungsfestigkeit des 741 ist nicht ausreichend um die
Versorgungsspannung des ICH8530 direkt nutzen zu können. Die Regelung realisieren die Transistoren
Q16 und Q17 mit den umgebenden Bauteilen. In der hier dargestellten Verschaltung
würde allerdings lediglich ein konstanter Strom funktionslos zur Masse
abgeleitet werden. Real führen die Emitter der Transistoren Q16/Q17 zu den
Versorgungsanschlüssen des 741.
Die geringere
Spannungsfestigkeit des 741 hat den unschönen Nebeneffekt, dass je nach
Verschaltung des ICH8530 die Eingänge vor zu hohen oder zu niedrigen Potentialen geschützt werden
müssen.
Das Ausgangssignal des 741
steuert zwei Stromspiegel (Q1/Q2 und Q3/Q4). Auf deren Ausgangsseite ist die
Rückkopplung angebunden. Von den Stromspiegeln aus führen weitere Stromspiegel
zu den Endstufentransistoren (Q12/Q13).
Die Kondensatoren, die die Bandbreite
begrenzen und so Schwingungen unterbinden, befinden sich interessanterweise nicht
an den Transistoren, die die Spannungsverstärkung realisieren müssen
(Q6/Q8), sondern an den Basis-Emitter-Strecken der Endstufentransistoren. In der
Spannungsverstärkungsstufe reduzieren zusätzliche Kondensatoren vorteilhaft die
Spannungsabhängigkeit der parasitären Basis-Kollektor-Kapazität. Da der Verstärker keine
hohe Linearität aufweisen muss, waren die Kapazitäten an den Endstufen
vermutlich ausreichend. Der Bezug auf die Versorgungspotentiale ist gleichzeitig vorteilhaft,
weil sich die Kondensatoren nicht auf dem Die befinden. So war, wie sich noch
zeigen wird, nur ein zusätzlicher Bondvorgang notwendig.
An den Ausgängen RSC+ und RSC- sind die Shunt-Widerstände anzuschließen, die die Strombegrenzung definieren. Vout stellt das Bezugspotential für die Strombegrenzung dar. Die Transistoren Q14/Q15 leiten das Nutzsignal noch vor den Treibertransistoren der Endstufen ab und sorgen so für die gewünschte Begrenzung des Stroms.
Der 741-Operationsverstärker (1) befindet sich direkt zwischen den Eingängen. Deutlich zu erkennen sind die drei Potentiale, die zum BL8063-Die (2) führen. Es handelt sich um das Nutzsignal, das von den zwei Versorgungspotentialen flankiert wird.
Der BL8063 (2) ist an das Massepotential (schwarz), das negative und das
positive Versorgungspotential (hellblau und rot) angebunden.
Rechts und links
des Dies befindet sich je ein augenscheinlich abgeglichener Widerstand (8 und 9). Es handelt
sich um die Widerstände R1 und R2 oberhalb und unterhalb der Stromspiegel. Über
den Wert dieser Widerstände lässt sich der Biasstrom der Endstufentransistoren
unabhängig voneinander einstellen. Über diesen Parameter kann aber auch der
Offset des Verstärkers justiert werden.
Der Kondensator 6 stellt den Rückkopplungskondensator C1 dar. Die Kondensatoren
5 und 7 begrenzen an den Basispotentialen der Endstufentransistoren die Bandbreite.
Es ist schön zu sehen, dass dafür nur eine zusätzliche Bondverbindung notwendig
war. Die externe Platzierung der Kondensatoren ermöglicht eine einfache
Modifikation der Verstärkereigenschaften. So lässt sich zum
Beispiel leichter die Bandbreite variieren oder die Schaltung an andere
Endstufentransistoren anpassen. Letzteres ist vor allem von Interesse, da bei
den schwächeren Modellen wahrscheinlich kleinere Endstufentransistoren zum
Einsatz kamen.
Die Endstufentransistoren nehmen relativ viel Fläche ein und sind gleich groß
aufgebaut, was bei NPN- und PNP-Transistoren nicht selbstverständlich ist. Sie
sind an ihre jeweiligen Ausgangspins angebunden (lila und dunkelblau).
Der gelbe Pfad
führt das Ausgangssignal zurück zum BL8063. Nur für die Kontaktierung dieses Pins kamen
zwei dünne
Bonddrähte zum Einsatz, während bei allen anderen Pins ein dickerer
Bonddraht gewählt wurde. Der Grund für diesen Unterschied erschließt sich nicht.
Der erste Operationsverstärker, der laut Datenblatt ein 741 ist, zeigt obeflächlich den klassischen Aufbau eines einfache Operationsverstärkers. Gut zu erkennen ist der symmetrisch aufgebaute Differenzverstärker am Eingang, der von der unteren Kante nach oben führt. An der linken Kante befindet sich der große Kompensationskondensator, der die Bandbreite des Operationsverstärkers begrenzt.
An der rechten Kante wurde ein auffällig großer
Widerstand integriert.
Ganz links sind neun Masken aufgeführt, von denen mehrere schon dreimal
überarbeitet wurden.
Die interne Bezeichnung des Operationsverstärkers lautete anscheinend BL8741. Das "G" könnte einen Revisionsstand kennzeichnen. Die Tatsache, dass in der Metalllage mehr Buchstaben abgebildet sind lässt darauf schließen, dass es Varianten der Metalllage gab. Üblich sind bei Operationsverstärkern mehrere Modelle mit verschiedenen Bandbreiten, was sich meist relativ einfach über eine Variation der Kondensatorgröße realisieren lässt.
Das zweite Die trägt die interne Bezeichnung BL8063. Im Intersil Data Book von 1979 lässt sich nachlesen, dass dieser Schaltkreis unter der Modellbezeichnung ICL8063 auch als einzelner Baustein vertrieben wurde. Er dient allgemein als Schnittstelle zwischen einfachen Operationsverstärkern und Leistungstransistoren, um ohne großen Bauteilaufwand komplette Leistungsverstärker aufbauen zu können.
Die Maskenkennzeichnung "6F" lässt vermuten, dass die Metalllage einige Male überarbeitet werden musste.
Das Intersil Data Book enthält eine Abbildung der Metalllage, die exakt zum vorligenden Die passt. Auch hier lautet die Maskenbezeichnung der Metalllage bereits 6F.
Der Schaltplan zeigt noch einmal den bekannten Aufbau. Die Spannungsregler sind allerdings deutlicher zu erkennen.
Die Widerstände, die den Biasstrom einstellen und wahrscheinlich auch für einen Offsetabgleich genutzt wurden, weisen eine für heutige Verhältnisse recht grobe Bearbeitung auf. Man könnte meinen, dass die Widerstandschicht mechanisch abgetragen wurde. Da der Keramikträger aber überhaupt nicht beschädigt zu sein scheint, ist ein Abgleich mit einem relativ schwach fokussierten Laser wahrscheinlicher.
Im Intersil Data Book ist ein Diagramm abgebildet, das die Schutzfunktion des
ICL8063 beschreibt. Es stellt den Ausgangsstrom über die Ausgangsspannung dar, weswegen
es invers zu den üblichen SOA-Kurven zu sein scheint.
Den maximalen Strom lässt
der ICL8063 in der Nähe der maximalen Ausgangsspannung zu. In diesem
Arbeitspunkt fällt am wenigsten Spannung über den stromführenden Transistor ab.
Bei niedrigeren Ausgangsspannungen und damit höheren Spannungen am
stromführenden Transistor wird der Strom auf kleinere Werte reduziert, damit der
Bereich des zweiten Durchbruchs nicht erreicht wird.
Die Schutzschaltung greift
ebenfalls ein wenn die Ausgangsspannung über die maximal zulässige Spannung
ansteigt. Die Endstufen müssen dieser Spannung dann zwar immernoch standhalten,
allerdings teilt sie sich gleichmäßiger auf die Transistoren auf,
während bei einer vollen Aussteuerung eines Transistors die komplette
Versorgungsspannung den gegenüberliegenden Transistor belastet.
Liegt eine
negative Spannung am Ausgang an, so begrenzt der ICL8063 zwar den Strom weiter,
dauerhaft angefahren werden dürfen aber nur Arbeitspunkte, die auf einer Geraden
vom Schnittpunkt der Stromachse bis zum Punkt -30V/0A oder darunter liegen. Die
Arbeitspunkte darüber dürfen nicht länger als 5ms anliegen.
Die Schutzbeschaltung ist vor allem vorteilhaft um induktive Lasten wie Motoren oder
elektromagnetische Aktuatoren anzusteuern, was das Haupteinsatzgebiete des
ICH8530 ist.
Das Datenblatt gibt eine relativ hohe maximal zulässige
Junction-Temperatur von 200°C an, die die Entwärmung des ICH8530 erleichtert.
Die Transistoren sind mit einer Art Verguss überzogen. Das Vergussmaterial
befindet sich nur auf dem Die und hat sich nicht auf den Keramikträger
ausgebreitet. Auf dem Verguss
befinden sich Späne, die beim Öffnen des Gehäuses entstanden.
Der Aufbau des
Transistors selbst (hier NPN) ist klassisch. Innen befindet sich der
Emitter, der mit einem dickeren Bonddraht angebunden ist. Außen, genau genommen
unter dem Emitter, befindet sich die Basis, die mit einem dünneren Bonddraht
kontaktiert wird. Die beiden Flächen greifen ineinander, um die Widerstände zum
aktiven Bereich gering zu halten.
In einem Fenster des Transistors sind die Zahlen 320 zu erkennen. Es könnte sich dabei um eine Typbezeichnung handeln.
Seitlich betrachtet zeigt sich, dass die Endstufentransistoren MESA-Transistoren sind und eine dafür typische Stufe am Rand aufweisen. Eine genauere Beschreibung des Aufbaus von MESA-Transistors findet sich beim Tesla KD501.
Der PNP-Transistor ist oberflächlich betrachtet gleich aufgebaut wie der NPN-Transistor.
Dieser Transistor ist mit der Zahlenfolge 420 beschriftet.
Die MESA-Struktur ist auf diesem Bild noch etwas besser zu erkennen.
