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Burr-Brown OPA627

OPA627

Der OPA627 ist ein von Burr-Brown entwickelter Präzisions-Operationsverstärker, der mittlerweile von Texas Instruments vertrieben wird. Der Index AU weist auf die A-Sortierung hin, die etwas schlechter spezifiziert ist als die B-Sortierung. Die Bandbreite des OPA627 ist soweit begrenzt, dass er auch als Spannungsfolger eingesetzt werden kann. Parallel existiert der OPA637, der noch etwas schneller ist, dessen Verstärkungsfaktor aber nicht kleiner als 5 eingestellt werden darf.

Die Grenzfrequenz des OPA627 liegt laut Datenblatt bei 16MHz, die Slewrate wird mit 55V/µs angegeben. Die Offsetspannung beträgt typischerweise nur 130µV für die A-Sortierung und 40µV für die B-Sortierung. Auch der Temperaturdrift ist mit 1,2µV/°C beziehungsweise 0,4µV/°C sehr gering.

 

OPA627 Schaltplan

Das Datenblatt zeigt den inneren Aufbau des OPA627. Der Differenzverstärker am Eingang ist mit J-FET-Transistoren aufgebaut (blau), was den niedrigen Eingangsstrom von typischerweise 1pA (B-Sortierung) ermöglicht. Über den vollen Betriebstemperaturbereich bleibt der Eingangsstrom unter 1nA.
Die Eingangstransistoren bilden mit den türkisen Transistoren eine Kaskade. Es handelt sich aber nicht um eine klassische Kaskodenschaltung, da hier die Emitter der Bipolartransistoren mit den Source-Anschlüssen der J-FETs verbunden sind. Dennoch sorgt auch diese Schaltung in Kombination mit der aus einem PNP-Transistor bestehenden Stromsenke für relativ konstante Potentiale an den Eingangstransistoren.
Im Kollektorpfad befindet sich ein Stromspiegel (grau). Die Pins 1 und 5 ermöglichen es die Emitterwiderstände des Stromspiegels zu beeinflussen und so den Offset abzugleichen.

Die Spannungsverstärkerstufe ist ebenfalls differentiell aufgebaut (hellgrün/dunkelgrün). Im hellgrünen Pfad befindet sich ein Kondensator, der eine erste Begrenzung der Bandbreite darstellt. Die eigentliche Spannungsverstärkung erfolgt im dunkelgrünen Schaltungsteil, wo ein weiterer Kondensator die Nichtlinearität der Miller-Kapazität kompensiert und die Bandbreite weiter begrenzt.
Zwischen der Spannungsverstärkerstufe und dem zugehörigen Stromspiegel (hellgrün) befinden sich zwei Dioden (rosa), die eine Spannung zwischen den weiterführenden Leitungen einstellen und so für einen gewissen Ruhestrom sorgen. Interessant ist, dass der Kompensationskondensator der Spannungsverstärkerstufe nicht direkt am Kollektor des Transistors, sondern zwischen den beiden Dioden angeschlossen wurde.

Auf die Spannungsverstärkerstufe folgen die Endstufentreiber und die Endstufe (rot). Vom Ausgang führen zwei antiparallele Dioden zum Ausgang der Spannungsverstärkerstufe. Im normalen Betrieb fällt über die Dioden keine Spannung ab. Sie scheinen eine Art Strombegrenzung darzustellen. Fließt ein Strom durch die Emitterwiderstände der Endstufen, so fällt daran eine Spannung ab. Ab einem gewissen Strom und der damit einhergehenden Spannung fließt auch ein Strom über die Dioden, der dann der Aussteuerung der Treibertransistoren entgegen wirkt.

 

OPA627 Die

Das Die ist relativ groß (2,9mm x 2,0mm). Die linke Hälfte nimmt die Eingangsstufe ein, wobei der Großteil der Fläche von den Eingangstransistoren belegt wird. Mittig befinden sich einige Kondensatoren. Die segmentierten Kondensatoren erwecken den Eindruck, dass ihre Flächen für den schnelleren OPA637 über eine einfache Änderung der Metalllage reduziert werden können.

An der rechten Kante ist mittig die Endstufe platziert. Die Entfernung zu den Eingangstransistoren sorgt für eine reduzierte thermische Rückkopplung. Die mittige Anordnung führt zu einer vertikal relativ homogenen Temperaturverteilung auf dem Die. In diesem Zusammenhang ist die symmetrische Anordnung des ganzen Aufbaus vorteilhaft, da die differentiellen Pfade so relativ ähnlichen Temperaturen ausgesetzt sind.

 

OPA627 Die Detail

An der oberen Kante befindet sich eine Burr-Brown typische Bezeichnung: CIC01532. Außerdem sind die Revisionen von 12 Masken abgebildet, die demnach teilweise fünf mal überarbeitet werden mussten.

 

OPA627 Die Detail

In der unteren linken Ecke sind Quadrate der Masken in einem 90°-Winkel angeordnet, was sich gut dafür eignen würde, um die Ausrichtung der Masken zu überprüfen.

 

OPA627 Die Eingangsstufe

Die in einer Matrix angeordneten Transistoren an der linken Kante stellen die Eingangstransistoren dar. Sie nehmen einen erheblichen Teil der Fläche des Dies ein. Die Widerstände des Stromspiegels, die auch einen Offsetabgleich ermöglichen, wurden an der linken Kante des Dies platziert. Die Distanz zum eigentlichen Stromspiegel ganz rechts ist überraschend lang. Es ist gut denkbar, dass mit den Widerständen schlicht die freien Bereiche um den Eingangstransistoren genutzt werden sollten. Platziert man die Transistoren direkt an der Kante des Dies, so riskiert man minimale, produktionsbedingte Abweichungen der Eigenschaften und es ergibt sich vermutlich eine inhomogenere Temperaturverteilung.

 

OPA627 Die Eingangsstufe

Die Eingangstransistoren bestehen aus jeweils acht einzelnen Transistoren, die ineinander verschachtelt sind. Dieser Aufbau garantiert, dass sich Temperaturgradienten auf beide Pfade möglichst gleich auswirken und damit die Offsetspannung nur einen sehr geringen Temperaturdrift aufweist.
In der oberen linken Ecke des Bilds erkennt man, dass man alles versucht hat die beiden Eingangstransistoren möglichst gleich an die Eingänge anzubinden. Die zwei grünen Streifen, die es ermöglichen, dass das grüne Potential das gelbe Potential kreuzt sind viel breiter und länger ausgeführt als notwendig. Diese Form wurde gewählt, weil für das rote Potential rechts unten im Bild genau diese Formen notwendig waren und so ein sehr ähnliches Verhalten garantiert ist. Schleifen in der Metalllage sorgen für ähnliche Leitungswiderstände.
Oberhalb und Unterhalb der Transistormatrix sind mehrere jeweils parallel geschaltete und abgeglichene Widerstände platziert. Hierbei handelt es sich um die Widerstände zwischen den Eingangstransistoren und der Kaskodenstufe. Ein Abgleich an dieser Stelle reduziert die Eingangs-Offsetspannung des Differenzverstärkers. Dieser Offset könnte zwar über den Stromspiegel abgeglichen werden, das führt allerdings zu einer unvorteilhaften Unsymmetrie innerhalb des Differenzverstärkers. Ist die Eingangs-Offsetspannung abegeglichen, so müssen nur noch der Stromspiegel selbst und Unsymmetrien in der Kaskodenstufe abgeglichen werden.

Rechts der Eingangstransistoren befinden sich vier weiß hinterlegte Transistoren, die die zwei Kaskodentransistoren darstellen. Auch hier wurde eine Verschaltung über Kreuz gewählt, um Temperaturdrifts zu reduzieren. Mittig ist die Stromsenke der Eingangsstufe platziert. Diese Platzierung ist thermisch ideal, da sich die Abwärme gleichmäßig auf die Eingangstransistoren und vor allem die Kaskodentransistoren auswirkt.

Oberhalb und unterhalb der Transistormatrix ist für jeden Zweig ein zusätzlicher Transistor platziert (schwarz mit weißer Umrandung). Diese Transistoren sind mit zwei weiteren Transistoren in der Kaskodenstufe verbunden (weiß mit schwarzer Umrandung) und erfüllen anscheinend eine andere Funktion als die Eingangstransistoren.

 

OPA627 Eingangsstufe Verschaltung

Überführt man die Bauteile in einen Schaltplan, so zeigt sich, dass die Kaskadenschaltung des Differenzverstärkers etwas anders aufgebaut ist als im Datenblatt dargestellt. Die in einer Matrix angeordneten Transistoren Q1-Q16 sind an die Transistoren Q2-Q5 angebunden. Die zusätzlichen Eingangstransistoren Q17/Q18 schaffen parallele Pfade, die zu den Transistoren Q6/Q7 innerhalb der Kaskadenschaltung führen. Die Funktion dieser Verschaltung erschließt sich nicht ohne Weiteres. Vielleicht wird hier irgendeine Schwäche des Differenzverstärkers kompensiert.

 

OPA627 Die Endstufe

Direkt an der rechten Kante sind der Highside- und der Lowsidetreiber der Endstufe platziert. Die Dioden, die eine Überlastung der Endstufe verhindern sollen, befinden sich direkt unter der Endstufe. Das Ausgangspotential wird über ein Element geführt, dass die beiden Emitterwiderstände enthält. Vor dem Ausgangsbondpad ist ein weiterer, niederohmiger Widerstand platziert, der bei kapazitiven Lasten vorteilhaft sein dürfte.

 

OPA627 Die Stackup

Das Datenblatt gibt an, dass der OPA627 "dielectrically-isolated" aufgebaut ist. Das bedeutet wahrscheinlich, dass die integrierte Schaltung zum Substrat hin isoliert ist. Meist werden auch einzelne Bereiche auf dem Die mit relativ tiefen Siliziumoxidabtrennungen voneinander isoliert. Diese Maßnahmen reduzieren Leckströme. Um einen solchen Aufbau realisieren zu können, müssen die Wafer üblicherweise sehr weit heruntergeschliffen werden. Für eine problemlosere Verarbeitung werden die zu schleifenden Wafer meist auf einem normal dicken, zusätzlichen Wafer befestigt.
Seitlich betrachtet kann man erkennen, dass das Die aus zwei Teilen besteht. Knapp unter der Oberfläche zeigt sich ein Schlitz in den seitlichen Flächen. Höchstwahrscheinlich handelt es sich bei der oberen Schicht um den Wafer mit der beschriebenen, verbesserten Isolation und die untere Schicht ist der Träger.

 

OPA627 Die Stackup

Hier ist das Die eines anderen OPA627 zu sehen. Die Schnittkante weist mittig eine Stufe auf, die wahrscheinlich während der Vereinzelung der Dies entstand. Die dünne oberste Schicht, die die integrierte Schaltung trägt, ist auch hier gut zu erkennen. Die Höhe des gesamten Dies beträgt ungefähr 250µm. Die oberste Schicht nimmt davon cirka 20µm ein.

 

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