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КP597CA1 - KR597SA1

KR597SA1

Der КP597CA1 (KR597SA1) ist ein sowjetischer Nachbau des Komparators AM685 von AMD. Das vorliegende Bauteil stammt laut Datecode aus dem Jahr 1981. Eine Herstellerbezeichnung ist nicht auszumachen. Die Schaltzeit des Komparators liegt bei 6,5ns. Eine besondere Eigenschaft ist die integrierte Latch-Funktion, die es ermöglicht ohne zusätzliche Verzögerungen den aktuellen Zustand zu fixieren. Bei zeitkritischen Schaltungen, wie zum Beispiel bei Analog-Digital-Wandlern, ist das integrierte Latch äußert vorteilhaft.

 

KR597SA1

Das braune Gehäusematerial ist sehr viel lichtdurchlässiger als die heute üblichen schwarzen Epoxidmischungen. Vor allem in Präzisionsschaltungen kann diese Eigenschaft unangenehm auffallen, da sich das Bauteil abhängig von der umgebenden Helligkeit minimal unterschiedlich verhält.

 

KR597SA1 Die

KR597SA1 Die

Das Gehäuse zersetzt sich wie die gewöhnlichen Epoxidmischungen bei hohen Temperaturen. Zuvor schmilzt das braune Material allerdings ähnlich einem gewöhnlichen Kunststoff, was das saubere Freilegen des Dies erschwert.

Die Abmessungen des Dies betragen 1,85mm x 1,05mm. Auffällig sind die vielen Teststrukturen, die sich fast über die ganze untere Kante erstrecken. Die rechte Kante des Dies ist mit unterschiedlichen Quadraten belegt, die mit ziemlicher Sicherheit eine Überwachung der Fertigungsprozesse ermöglichen.

V-1 könnte für eine erste Revision des Designs stehen, 375 könnte eine interne Bezeichnung sein. Das ist allerdings reine Spekulation.

 

KR597SA1 Schaltplan

Das Datenblatt des AM685 enthält einen Schaltplan, der, wie sich noch zeigen wird, relativ gut mit dem Aufbau des KR596SA1 übereinstimmt. Ein sehr umfangreicher Funktionsblock ist die blaue Arbeitspunkteinstellung. Der vertikale Pfad liefert mehrere konstante Spannungen. Der horizontale Pfad generiert über mehrere Stromspiegel unterschiedliche, konstante Ströme.

Gelb markiert ist der Eingangsdifferenzverstärker, der genau genommen aus zwei parallel geschalteten Differenzverstärkern besteht. Die Transistoren Q1/Q2 stellen die differentiellen Eingänge dar und arbeiten mit der Stromsenke Q11 auf die Kollektorwiderstände R1/R2. Daneben befindet sich der Differenzverstärker Q5/Q6/Q12, der eine positive Rückkopplung darstellt und so für eine saubere Komparatorfunktionalität sorgt.
Die Transistoren Q3/Q4 (grau) stellen eine Kaskodenschaltung dar und bieten den Eingangstransistoren ein stabiles Kollektorpotential. Die Schottky-Dioden D1/D2 begrenzen die Spannung zwischen den Zweigen, was Sättigungseffekte vermeidet, die die Schaltgeschwindigkeit reduzieren würden.
Die Latch-Funktion wird über die rosa Schaltung dargestellt. Im normalen Betrieb ist der Transistor Q9 gesperrt und der Transistor Q10 ermöglicht eine normale Funktion des Eingangsdifferenzverstärkers. Wird der Latch-Eingang aktiviert, so übernehmen die Transistoren Q7/Q8 den aktuellen Status des Differenzverstärkers und fixieren ihn.

Auf den Eingangsdifferenzverstärker folgt eine Pufferstufe (dunkelgrün) mit den Transistoren Q13/Q14. Die Z-Dioden D5/D6 verschieben das Potential des Signals und passen es so an die folgende Verstärkerstufe an.
Die Transistoren Q15/Q16 bilden einen weiteren Differenzverstärker (hellgrün). Sie arbeiten auf der Kollektorseite mit den Kaskodentransistoren Q17/Q18. Dazwischen wird die Rückkopplung zum Eingangsdifferenzverstärkers abgegriffen. Auch in dieser Verstärkerstufe verhindern zwei Schottky-Dioden, dass die Transistoren in Sättigung gehen.
Der lila Schaltungsteil um Q19/Q20 koppelt das Signal relativ lastfrei aus dem zweiten Differenzverstärker aus. Darauf folgen in rot die Treibertransistoren Q21/Q22 und die ECL-Endstufentransistoren Q23/Q24. Die Endstufentransistoren arbeiten mit einem eigenen Massepotential, was sicherstellt, dass der Rest der Schaltung nicht durch das Schalten der Endstufentransistoren beeinflusst wird.

 

KR597SA1 Die Analyse

Obwohl die Abbildungsqualität der Strukturen nicht optimal ist, lassen sich alle Elemente des Komparators identifizieren.

Es ist gut zu erkennen, dass der Eingangsdifferenzverstärker (gelb/rosa/grau) von der linken Kante, mittig und relativ symmetrisch ins Innere des Dies führt. Die großen Versorgungsleitungen und die Arbeitspunkteinstellung (blau) sind seitlich angeordnet. Die Endstufe befindet sich ganz rechts auf dem Die, so dass sie den Rest der Schaltung möglichst wenig beeinflusst. Von oben rechts werden die beiden Massepotentiale zugeführt.

 

KR597SA1 Die Analyse Detail

Die Transistoren, deren Schaltgeschwindigkeiten kritisch für die Geschwindigkeit des Komparators sind (z.B. Q1/Q2), besitzen eine doppelte Basisanbindung. Der so erreichbare niedrigere Zuführungswiderstand zum aktiven Bereich beschleunigt das Ausräumen freier Ladungsträger und so die Schaltgeschwindigkeit.

Unterhalb des Transistors Q2 befindet sich eine großflächige Substratanbindung, die mit dem negativen Versorgungspotential verbunden ist. Die niederohmige Anbindung garantiert, dass auch bei schnellen Schaltvorgängen das Substrat auf einem stabilen Bezugspotential bleibt und die Schaltvorgänge entsprechend sauber ausgeführt werden.

Die Kaskodentransistoren Q3/Q4 besitzen jeweils drei Emitter. Das Eingangssignal nutzt den mittleren Emitter, der von zwei Basiskontaktierungen umgeben ist und entsprechend etwas schneller ist als die äußeren beiden Emitter. Die Transistoren Q3/Q4 stellen außerdem die Grundlage der Schottky-Dioden D1/D2 dar.

Ein Kontakt zwischen einer Metalllage und einer n-dotierten Siliziumfläche bildet immer einen Schottky-Übergang mit der zugehörigen Gleichrichterfunktion. Wirklich effizient ist die Gleichrichtung allerdings nur bei nicht zu stark n-dotierten Halbleitern. Will man in einem integrierten Schaltkreis lediglich das aktive Silizium kontaktieren, so ist der Effekt unerwünscht. Abhilfe schafft dann eine stärkere Dotierung im Bereich des Kontakts. Wie zum Beispiel im Rahmen des IK72 dargestellt, befindet sich daher bei einem normalen Transistor zwischen Metalllage und Kollektorbereich eine stärkere n-Dotierung, die einen ohmschen Kontakt garantiert. Die Schottky-Dioden D1/D2 lassen sich entsprechend einfach darstellen, indem man die Metalllage ohne weitere Maßnahmen auf dem nicht zu stark n-dotierten Kollektorbereich der Transistoren Q3/Q4 aufliegen lässt.

 

KR597SA1 Die Analyse Detail

Die Schottky-Dioden D3/D4 sind genauso umgesetzt wie die Schottky-Dioden D1/D2 in der Eingangsverstärkerstufe. Sie befinden sich auf den Kollektorflächen der Transistoren Q17/Q18.

Bei den Dioden D5/D6 handelt es sich um Z-Dioden. Genutzt werden dazu zwei Transistorstrukturen. Deren Basis-Emitter-Strecken weisen eine Durchbruchspannung von einigen Volt auf. Die Basis-Emitter-Strukturen befinden sich in einer gemeinsamen Kollektorfläche mit den Transistoren Q13/Q14. Oben links ist die Fläche an das positive Versorgungspotential angebunden. Die Kollektoranschlüsse der Z-Dioden D5/D6 und der Transistoren Q13/Q14 sind zwar vorhanden, werden aber nicht kontaktiert.

 

KR597SA1 Die Analyse Detail

Die Transistoren Q19/Q20 und die Z-Dioden D7/D8 sind genauso dargestellt wie die Transistoren Q13/Q14 mit ihren Z-Dioden D5/D6. Auch hier ist die gesamte Kollektorfläche an das positive Versorgungspotential angebunden und die Kollektoranschlüssen verblieben unkontaktiert.

Die Endstufentransistoren Q23/Q24 sind etwas größer ausgeführt, damit sie den notwendigen Ausgangsstrom darstellen können.

 

KR597SA1 Schaltplan korrigiert

Es zeigt sich, dass die im KR597SA1 integrierte Schaltung fast exakt mit dem Schaltplan des AM685 übereinstimmt. Lediglich eine Verbindung innerhalb der Arbeitspunkteinstellung ist dort nicht dargestellt (roter Punkt). In anderen Schaltplänen des AM685 ist diese Verbindung allerdings vorhanden. Es scheint sich lediglich um einen Druckfehler im Datenblatt zu handeln.

 

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