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Silicon General LM310

LM310

LM310

Der LM310 ist ein Operationsverstärker, der intern bereits so konfiguriert wurde, dass er als Spannungsfolger arbeitet, also als nicht invertierender Verstärker mit einem Verstärkungsfaktor von 1. Die Optimierung auf die Funktion als Spannungsfolger ermöglicht eine relativ hohe Bandbreite von 20MHz und eine maximal mögliche Signalanstiegszeit von 30V/µs. Derart schnelle Operationsverstärker kann man normalerweise nicht ohne Weiteres als Spannungsfolger einsetzen. Um den Verstärkungsfaktor auf 1 zu reduzieren, ist eine starke Gegenkopplung notwendig. Diese Gegenkopplung führt in Kombination mit der hohen Bandbreite schnell zu Oszillationen.
Bei den Operationsverstärkern der Reihe LF35x zeigt sich dieser Zusammenhang zum Beispiel im Datenblatt. Der LF356 bietet eine Bandbreite von 5MHz, der LF357 ist fast gleich aufgebaut, enthält aber eine geringere interne Kompensationskapazität, was die Bandbreite auf 20MHz erhöht. Der LF357 ist dafür nur noch für einen Verstärkungsfaktor von 5 spezifiziert. Das Datenblatt enthält auch eine Spannungsfolger-Applikation mit dem LF357, dort reduziert aber ein zusätzliches, externes RC-Glied die Bandbreite auf 5MHz.

Der vorliegende LM310 stammt von Silicon General und ist neben der allgemeinen Bezeichnung mit SG310 beschriftet. Das Bauteil wurde in der Kalenderwoche 36 des Jahres 1974 gerfertigt. Neben dem LM310 existieren noch der LM210 und der LM110, die für erweiterte Betriebstempemperaturbereiche spezifiziert sind.

 

LM310 Schaltplan

Der LM310 wurde von vielen Firmen produziert. Das Datenblatt von National Semiconductor enthält einen ausführlichen Schaltplan. Wie sich noch zeigen wird, ist der LM310 von Silicon General sehr ähnlich aufgebaut.

Die Schaltung basiert auf drei Stromsenken, dargestellt durch die Transistoren Q14, Q15 und Q16 (dunkelgrün). Gesteuert werden die Stromsenken über die hellgrüne Schaltung. Darin erzeugt ein JFET einen Strom, der dafür sorgt, dass über die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren Q17/Q18 eine einigermaßen konstante Spannung abfällt. Diese Spannung wird genutzt, um in den Stromsenken Q15 und Q16 einen konstanten Strom zu erzeugen. Die Stromsenke Q14 wird dagegen direkt vom Kollektorstrom des Transistors Q17 gesteuert. Der Strom, den Q14 einstellt, dürfte so etwas weniger konstant sein, dafür wirken sich Rückkopplungen auf das Basispotential weniger auf den Rest der Schaltung aus. Der Kollektor des Transistors Q17 blockt derartige Störungen bis zu einem gewissen Grad ab.
Indem man zwischen dem Pin 5 ("Booster") und der negativen Versorgung einen Widerstand anschließt, lässt sich von außen der Emitterwiderstand des Transistors Q14 reduzieren. Der LM310 erreicht dann die spezifizierte negative Ausgangsspannung von -10V auch bei höheren Lasten. Auf den ersten Blick scheint es, dass eine Reduktion des Emitterwiderstands den Strom durch den Transistor Q14 erhöhen würde, das ist aber hier nicht der Fall. Da der Transistor stromgesteuert ist, führt eine Reduktion des Widerstands nur zu weniger Spannungsabfall in der Endstufe, was den gewünschten größeren Aussteuerungsbereich ermöglicht. Das Datenblatt gibt keine Nachteile für diese Modifikation an. Es wird lediglich ein optionaler Widerstand zwischen dem Ausgang und dem Booster-Pin beschrieben, der die Verlustleistung im Package reduzieren kann. Vermutlich leidet in bestimmten Arbeitspunkten die Linearität des LM310 etwas unter der Maßnahme. Schließlich treten mit reduziertem Emitterwiderstand die nicht idealen Eigenschaften des Transistors Q14 stärker hervor.

Der Kern des Spannungsfolgers ist ein Differenzverstärker (rot), der mit der Stromsenke Q15 arbeitet. Die Darlington-Schaltung sorgt für einen geringen Eingangsstrom. An den Eingängen des Differenzverstärkers liegt das Eingangssignal und eine Rückkopplung vom Ausgang an. Der Widerstand R7 und der Kondensator C1 begrenzen die Bandbreite der Rückkopplung. Die Grenzfrequenz dieses RC-Glieds liegt bei knapp oberhalb 3MHz. Ab dieser Frequenz bestünde vermutlich die Gefahr von Oszillationen.
Die Diode D1 und der als Diode verschaltete Transistor Q13 scheinen in grenzwertigen Arbeitspunkten eine Art Vorsteuerung darzustellen. Im normalen Betrieb fließt über die beiden Elemente kein Strom, da auf beiden Seiten das gleiche Potential anliegt. Kann der Ausgang dem Eingangssignal nicht ganz folgen, so unterstützt der Durchgriff die Signaländerung. In diesem Zustand fließt dann allerdings auch ein signifikanter Strom in den Eingang.

Auf eine Spannungsverstärkungsstufe, wie sie in normalen Operationsverstärkern zu finden ist, wurde beim LM310 verzichtet. Eine relevante Spannungsverstärkung ist bei einem Impedanzwandler naturgemäß nicht notwendig.

Der türkise Stromspiegel stellt die Stromquelle dar, mit der die Endstufe arbeitet. Die Emitterwiderstände können von außen justiert werden, was es ermöglicht die Offsetspannung des LM310 abzugleichen.

Die Endstufe besteht aus dem Darlingtontransistor Q5/Q6 (lila). Den Biasstrom liefert der Stromspiegel. Der rechte Kollektor des Differenzverstärkers steuert über den Transistor Q14 wieviel Strom in die Basis des Endstufentransistors fließt.
Der linke Kollektor des Differenzverstärkers ist an den Ausgang der Endstufe angeschlossen. Der Ausgang wird dadurch kaum beeinflusst. Vorteilhaft ist aber, dass sich so an den Kollektoren des Differenzverstärkers die gleichen Potentiale einstellen, was eine möglichst symmetrische Arbeitsweise garantiert.

Der Widerstand R6 und der Transistor Q7 stellen eine Strombegrenzung dar (rosa).

 

LM310 Die

Die Kantenlänge des im Package enthaltenen Dies beträgt 1,2mm. Es trägt die Bezeichnung 110, vermutlich da der LM110 das Basismodell darstellt, das dann je nach Fertigungsqualität als LM110, als LM210 oder als LM310 verkauft wurde.

Die Bondpads lassen sich gut ihren Funktionen zuordnen. Das Bondpad des Pin 1 ist zur leichteren Identifikation rund ausgeführt.
Die Schaltung scheint zum Großteil dem Schaltplan im National Semiconductor Datenblatt zu ensprechen und enthält keine Überraschungen.

 

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