Richi´s Lab

Linear Technology LT1013

LT1013

Der LT1013 ist ein Präzisions-Operationsverstärker von Linear Technology. Die Spannungsverstärkung liegt im Fall der hier vorliegenden schlechteren Sortierung typischerweise bei 7V/µV. Der Baustein kommt mit einer 5V-Versorgungsspannung aus und kann dabei am Eingang 0V verarbeiten. Abhängig vom Stromfluss ist es dem LT1013 auch möglich am Ausgang 0V einzustellen. Gleichzeitig sind Versorgungsspannungen bis +/-22V zulässig. Das Datenblatt gibt eine typische Offsetspannung von 60µV mit einem Temperaturdrift von 0,4µV/°C an. Mit einer maximalen Slewrate von 0,4V/µs und einer Grenzfrequenz von 0,7MHz ist der LT1013 nicht allzu schnell.

 

LT1013 Die

Das Die des LT1013 ist mit einer silikonartigen Schutzschicht überzogen.

 

LT1013 Die

Dieses Bild zeigt einen anderen LT1013, wo das Die während der Zerlegung in der oberen Gehäusehälfte verblieben ist.

 

LT1013 Die

Die Abmessungen des Dies betragen 2,4mm x 1,9mm.

 

LT1013 Die Detail

Das Design stammt aus dem Jahr 1987. Produziert wurde der vorliegende LT1013 laut Datecode im Jahr 2000.

 

LT1013 Schaltplan

Das Datenblatt enthält einen ausführlichen Schaltplan, der hier zum besseren Verständnis eingefärbt wurde. An den Eingängen befinden sich die Transistoren Q1/Q2 (rosa), die es beim Betrieb mit nur einer Spannungsversorgung ermöglichen Eingangspotentialen bis 0V zu verarbeiten. Sinkt das Eingangspotential unter das Potential des Substrats, so verhindern die 400Ω-Widerstände, dass ein schädigender Strom über das Substrat fließt.
Das Datenblatt erklärt, dass es bei derartigen Eingangsstufen üblicherweise zu einer Umkehr der Phasenlage kommt, wenn ein Eingang mehr als 400mV unter das Bezugspotential sinkt. Das Datenblatt zeigt beispielsweise ein übersteuertes Sinussignal, bei dem andere Operationsverstärker die negativen Spitzen zum oberen Ende des Ausgangsspannungsbereichs anheben. Liegt an einem Eingang ein derart niedriges Potential an, so wird der zugehörige Transistor im folgenden Differenzverstärker (Q3/Q4) in Sättigung getrieben. Das hebelt die Funktion des Differenzverstärkers aus. Der Begriff Phasenumkehr erscheint in diesem Zusammenhang eher unpassend.
Der LT1013 kann dagegen auch mit sehr niedrigen Eingangspotentialen umgehen. In diesen Fällen werden die Transistoren Q21/Q27 beziehungsweise Q22/Q28 leitend und lassen einen Strom aus dem positiven Versorgungspotential in die Eingangsstufe fließen. Das reduziert den Stromfluss aus den Transistoren Q3/Q4 und damit die Gefahr der Sättigung. An dieser Stelle enthält der Schaltplan einen Fehler. Der Transistor Q28 muss genauso wie der Transistor Q27 an das positive Versorgungspotential angebunden sein (rote Korrektur). Das bestätigt sich auch auf dem Die.

Der blaue Schaltungsteil am rechten Rand generiert drei Potentiale, die an vielen Stellen zur Arbeitspunkteinstellung herangezogen werden. An der positiven und an der negativen Versorgung sind mehrere Stromspiegel platziert, die mit unterschiedlichen Emitterwiderständen die jeweils notwendigen Ströme einstellen.

Die Transistoren Q3/Q4, die Stromquelle Q16 und der Stromspiegel Q7/Q8 bilden den eigentlichen Eingangs-Differenzverstärker (dunkelgrün).
Die Funktion des grauen Schaltungsteils ist nicht ganz klar. Er scheint Unsymmetrien in und um den Differenzverstärker zu kompensieren. Q13, Q12, Q11 und Q9 könnten eine Art Ersatzlast ähnlich der folgenden Verstärkerstufe (Q10) darstellen.

Der türkise Schaltungsteil stellt die Spannungsverstärkerstufe dar. Genau genommen realisiert nur der Transistor Q19 die Spannungsverstärkung. Das RC-Glied 3,9kΩ/21pF, der 2,5pF- und der 10pF-Kondensatoren definieren den Frequenzgang dieser Verstärkerstufe.

Die Spannungsverstärkerstufe steuert direkt den Highside-Transistor Q33 der Ausgangsendstufe (rot). Das Aussteuern des Lowside-Transistors Q34 erfolgt über den gelben Schaltungsteil. Dazu moduliert die Transistor-Kombination Q25/Q30 den Strom der Stromquelle Q32. Der Transistor Q31 generiert daraus mit der Stromsenke Q23 den Steuerstrom für den Lowside-Transistor. Das RC-Glied 2kΩ/100pF und der 4pF-Kondensator unterbinden Schwingungsneigungen.
Die grünen Transistoren Q26/Q24 stellen einen Überstromschutz dar, indem sie die Spannungsabfälle an zwei Shunt-Widerständen überwachen und bei Bedarf den Steuerstrom der Endstufen ableiten.

 

LT1013 Die Analyse

Ein Großteil der Schaltungsteile lässt sich auf dem Die identifizieren. Der Aufbau ist fast komplett symmetrisch. Links und rechts wurde jeweils ein Operationsverstärker integriert.

Auffällig ist ein ungenutztes Bondpad in der Mitte des Dies, das eine alternative Kontaktmöglichkeit für das positive Versorgungspotential darstellt.

 

LT1013 Die Input

Die Eingangsstufe wurde sehr symmetrisch und teilweise gekreuzt aufgebaut, was für möglichst gleiche Eigenschaften des Eingangsverstärkers und geringe thermische Drifts sorgt. Auffällig ist, dass sogar die 400Ω-Eingangswiderstände direkt nebeneinander platziert wurden.

 

LT1013 Die Input

Die Emitterwiderstände der Stromquellen Q5/Q6 werden für einen Offset-Abgleich herangezogen. Sie setzen sich zusammen aus jeweils zwei längeren Widerstandsstreifen und einigen, über Fuses zuschaltbaren, kleineren Widerständen. Die Aufteilung der Widerstände ist sehr effizient. Im roten Pfad können Widerstande mit den Werten 2R, R, R/2 und R/4 zugeschaltet werden. Das ermöglicht einen sechzehnstufigen Abgleich des Offsets. Im grünen Pfad befindet sich ein 4R-Widerstand, worüber sich der Abgleich zusätzlich bei Bedarf invertieren lässt.

Bemerkenswert ist, dass für die fünf notwendigen Fuses nur drei Testpads und ein Bondpad zur Verfügung stehen. Die Fuses 1/2 und 3/4 sind von außen nur als Serienschaltung kontaktierbar. Anscheinend hat man hier eine Methode gefunden trotz der Serienschaltung eine der Fuses selektiv und trotzdem sicher auszulösen.

 

LT1013 Die Input

An der Stelle der Fuses meint man dünne, helle Verbindungen erkennen zu können. Ein spezieller Aufbau ist allerdings nicht auszumachen.

 

LT1013 Die Input

Neben der Justage-Möglichkeit über die Fuses befinden sich auf den zwei langen Widerstandsstreifen des grünen Pfads Stichleitungen der Metalllage. Wahrscheinlich hat man sich hier die Möglichkeit vorgehalten über eine kleine Änderung der Metalllage den Kontakt zum Widerstand und damit den Widerstandswert in größerem Maße anzupassen.

 

LT1013 Die Platzierung Eingangsstufe

Die Platzierung der Endstufentransistoren und der Transistoren der Eingangsstufe ist so gewählt, dass der Temperaturdrift möglichst gering ausfällt. Üblicherweise fällt in den Endstufentransistoren am meisten Verlustleistung an. Vernachlässigt man die Verlustleistungen der restlichen Schaltungsteile, so sorgt die Platzierung der Endstufentransistoren in der Mitte des Dies für einen konzentrische Temperaturverteilung. Die zusammengehörigen Transistoren des differentiellen Eingangsverstärkers sind so angeordnet, dass sie sich immer auf dem gleichen Temperaturniveau befinden. Das gilt zum Großteil unabhängig davon, ob der Operationsverstärker bereits seinen thermischen Beharrungszustand eingenommen hat oder sich die Temperaturen auf Grund von wechselnden Belastungen noch ändern.

 

LT1013 Die Kondensatoren

Der LT1013 enthält einige Kondensatoren mit verhältnismäßig großen Kapazitätswerten. Offensichtlich sind allerdings nur die Kondensatoren mit den Werten 2,5pF und 21pF innerhalb der Spannungsverstärkerstufe. Sie teilen sich eine Elektrode innerhalb des Siliziums, die von zwei Flächen der Metalllage bedeckt ist.

Hätte man die restlichen Kondensatoren (100pF, 75pF, 10pF, 4pF) in der selben Technik umgesetzt, so wäre für den LT1013 die doppelte Silizium-Fläche notwendig gewesen. Bis auf den 4pF-Kondensator beziehen sich allerdings alle nicht direkt sichtbaren Kondensatoren auf das negative Versorgungspotential, wodurch man sie sehr viel effizienter darstellen konnte. Unterhalb der aktiven Strukturen befindet sich eine grüne Schicht, die die notwendige Kapazität zum Substrat und damit zum negativen Versorgungspotential bietet.

 

LT1013 Die Kondensatoren

Der 75pF-Kondensator ist auf vier einzelne Flächen aufgeteilt, obwohl diese Flächen direkt nebeneinander liegen. Vielleicht wollte man so eine gewisse Entkopplung der einzelnen aktiven Elemente sicherstellen. Da der 75pF-Kondensator in den üblichen Arbeitspunkten ein konstantes Potential führt, besteht kaum eine Gefahr, dass der Kondensator selbst die darüber liegenden Schaltungsteile stört.

Wie weit sich der 75pF-Kondensator genau erstreckt, lässt sich nicht mit letzter Sicherheit sagen. Der 100pF-Kondensator ist noch schwieriger auszumachen, da das Ende des zugehörigen 2kΩ-Widerstands nicht klar erkennbar ist.

 

LT1013 Die Arbeitspunkteinstellung

Der unterste Bereich des Dies ist nicht vollständig symmetrisch. Dort befindet sich der blaue Schaltungsteil, der die Referenzpotentiale für den Operationsverstärker, die Stromquellen und Stromsenken bereitstellt. Anscheinend teilen sich die beiden Operationsverstärker diesen Schaltungsteil.
Dieser Teil der Arbeitspunkteinstellung scheint außerdem etwas anders aufgebaut zu sein als er im Datenblatt dargestellt ist.

Unterhalb des Lowside-Endstufentransistors Q34 befindet sich ein Schaltungsteil, der im Datenblatt nicht aufgeführt ist und dessen Funktion sich auch nicht erschließt.

Auffällig ist ein relativ großes Testpad in der unteren rechten Ecke des Dies, das über eine Fuse in der Metalllage an das negative Versorgungspotential angebunden ist. Das Testpad und die Fuse erfüllen keine erkennbare elektrische Funktion. Vielleicht konnte das Die über diese Fuse markiert werden, um eine Sortierung oder etwas ähnliches abzubilden.

 

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