Richi´s Lab

National Semiconductor LM709

LM709

Der LM709 ist ein alter Standard-Operationsverstärker, der eine Weiterentwicklung des LM702 darstellt und von mehreren Herstellern produziert wurde. Der vorliegende LM709C stammt von National Semiconductor. Der Index C steht für die "commercial-industrial" Sortierung, die für den Betriebstemperaturbereich zwischen 0°C und +70°C spezifiziert ist. Besonders schnell ist der LM709 nicht. Die maximal mögliche Spannungsanstiegszeit gibt das Datenblatt mit 0,25V/µs an.

 

LM709 Schaltplan

Der im Datenblatt enthaltene Schaltplan zeigt den Aufbau des LM709. Die Eingangsschnittstelle bildet ein klassischer Differenzverstärker mit einer Stromsenke und zwei Kollektorwiderständen (rot). Auf den Ausgang des Differenzverstärkers folgt eine Pufferstufe (grün). Die Transistoren Q5/Q6 bilden dazu einen Darlingtontransistor. Eingang und Ausgang dieser Transistorkombination sind über die Pins 1 und 8 nach außen geführt. An dieser Stelle muss ein Komponsationskondensator angeschlossen werden, der den Frequenzgang so einstellt, dass Schwingungen ausgeschlossen sind. Die grüne Verstärkerstufe wurde mit den Transistoren Q3/Q4 symmetrisch ergänzt. So ist sichergestellt, dass sich die beiden Eingangsdifferenzverstärkerzweige möglichst gleich verhalten.

Die graue Verstärkerstufe Q8/Q9 verschiebt den Offset des Nutzsignals.

Die blaue Verstärkerstufe stellt die Spannungsverstärkerstufe dar. Deren Eingangssignal ist von außen über den Pin 5 erreichbar. Zwischen Pin 5 und dem Ausgangspotential muss für ein stabiles Verhalten ein weiterer Kondensator angeschlossen werden.
Die Notwendigkeit zweier externer Kondensatoren bietet zwar zusätzliche Freiheitsgrade, gleichzeitig ist es aber auch ein gewisser Aufwand den Frequenzgang bestmöglich einzustellen. Dazu kommt, dass die zusätzlichen Bauteile die Komplexität der Gesamtschaltung erhöht, was zum Beispiel in Hybrid-Bausteine besonders nachteilig ist.

Die Ausgangstreiber (rosa) ist sehr einfach aufgebaut. Die Push-Pull-Endstufe besitzt keine Ruhestromeinstellung und arbeitet somit im Klasse B Betrieb. Ein Überlastschutz ist nicht vorhanden. Der Ausgang muss entsprechend mit Bedacht beschaltet oder über zusätzliche Bauteile geschützt werden.

 

LM709 Aufbau

 

LM709 Die

Die Kantenlänge des Dies beträgt 1,2mm. Die Zahlen 709 an der rechten Kante kennzeichnen das Modell. An der rechten und an der unteren Kante befinden sich zwei Strukturen, die höchstwahrscheinlich zur Ausrichtung der Masken genutzt wurden.

Es sticht sofort ins Auge, dass die integrierten Widerstände im Vergleich zu den restlichen Bauteilen extrem dünn sind.

In der oberen rechten Ecke des Dies befindet sich eine Teststruktur. Vergleicht man die Farben der Flächen mit den Strukturen der anderen Transistoren, so handelt es sich um eine NPN-Struktur. Bei einem NPN-Transistor kommen normalerweise unterschiedlich hohe n-Dotierungen zum Einsatz. In der Teststruktur befinden sich dagegen zwei stark n-dotierte Bereiche (blau).

 

LM709 Die Transistoren

Der Herstellungsprozess bietet grundsätzlich nur NPN-Transistoren. PNP-Transistoren müssen mit einer nicht ganz optimalen Anordnung von Kollektor, Basis und Emitter aufgebaut werden, wie sie unter anderem beim Audioverstärker LA4102 beschrieben ist.
PNP-Transistoren werden in NPN-Prozessen üblicherweise aufgebaut wie der Transistor Q9. Dabei dient die grüne, n-dotierte Grundfläche als Basis. Die braunen, p-dotierten Bereiche stellen Kollektor und Emitter dar, die durch die Basisfläche voneinander getrennt sind. Die Anbindung dieses aktiven Basisbereichs erfolgt von unten über einen stark n-dotierten, vergrabenen Streifen, der bei den NPN-Transistoren als Kollektorzuleitung dient.

Der PNP-Transistor Q13 ist allerdings anders aufgebaut. Mittig befindet sich der braune, p-dotierte Emitter. Umgeben ist diese Emitterfläche von einer blauen, stark n-dotierten Fläche, die an das Basispotential angeschlossen ist. Ein diskreter Kollektor ist nicht zu erkennen. Bei diesem Transistor wurde anscheinend die p-dotierte Isolationsdiffusion als Kollektorbereich herangezogen. Das war möglich, da der Kollektor an das negative Versorgungspotential angebunden werden musste. Dennoch ist der Aufbau überraschend, da man üblicherweise versucht den Basisbereich möglichst schmal zu halten. Der blaue, stark n-dotierte Rahmen garantiert eine niederohmige Zuleitung des Basispotentials zum Basisbereich direkt am Emitter.
Wahrscheinlich handelt es sich beim Transistor Q13 um einen sogenannten charge storage transistor, wie ihn Robert Widlar in der Application Note 16 beschreibt. Dabei versucht man gezielt die Anzahl der freien Ladungsträger zwischen Basis und Emitter zu erhöhen und eine niederohmige Anbindung zu realisieren. Das führt dazu, dass ein Signal an der Basis relativ schnell zum Emitter übertragen wird, was beim LM709 das Einschalten der Lowside-Endstufe beschleunigen könnte. Genau genommen wird die Lowside nicht schneller geschaltet, sondern es fließt anfänglich ein Strom direkt durch die Basis-Emitter-Strecke in den Endstufen-Treiber.
Die vergrößerte Basis-Emitter-Kapazität des Transistors Q13 erhöht zwar die Abschaltzeit des Transistors, das kann in der Push-Pull-Ausgangsstufe aber wahrscheinlich durch den Highside-Transistor kompensiert werden. Die Application Note 16 beschreibt, dass der Effekt des charge storage transistors maximiert werden kann, indem man eine relativ große Emitterfläche und auch eine relativ große Basisfläche wählt. Das erklärt warum der verhältnismäßig große Abstand zwischen dem Emitter und dem Kollektor des Transistors Q13 unproblematisch, ja sogar wünschenswert ist.

 

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