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Texas Instruments TLC272

TLC272

Der Texas Instruments TLC272 enthält zwei Präzisionsoperationsverstärker. Der Baustein benötigt nur eine Versorgungsspannung, die zwischen 3V und 16V liegen darf. Besonders beworben wird die niedrige Offsetspannung, die typischerweise bei 230µV liegt (TLC272BC, 25°C). Der Temperaturdrift liegt bei 1,8µV/°C. Der Drift durch Alterung wird mit 0,1µV im Monat angegeben. Die MOSFETs an den Eingängen garantieren einen niedrigen Eingangsstrom von typischerweise 0,6pA (25°C). Die Grenzfrequenz liegt abhängig von der Variante, Betriebsspannung und Betriebstemperatur zwischen 1,3MHz und 3,4MHz.

Das Datenblatt beschreibt parallel einen TLC277, dessen Offsetspannung mit typischerweise 200µV nur minimal niedriger ist. Bemerkenswert ist die niedrigere maximale Offsetspannung von 500µV (25°C) gegenüber den 2000µV (25°C) des TLC272BC.

Unter der Bezeichnung TLC274 ist auch eine Variante mit vier Operationsverstärkern verfügbar.

 

TLC272 Schaltplan

Das Datenblatt enthält einen Schaltplan, der hier zum besseren Verständnis eingefärbt wurde. Die erste Verstärkerstufe ist wie üblich ein Differenzverstärkers (grün). Das Eingangssignal durchläuft jeweils einen Widerstand und steuert dann das Transistorpaar P1/P2. Versorgt wird diese Verstärkerstufe über die Stromquelle P3. Der Differenzverstärkers arbeitet mit dem Stromspiegel N1/N2.

Die Funktion der Z-Diode D1 lässt sich nicht mit letzter Sicherheit klären. Im normalen Betrieb darf sie nicht leitend sein, da sie dann die Funktion des Stromspiegels behindern würde. Die Diode würde sich grundsätzlich als Strombegrenzung für den Stromspiegel eignen. Im normalen Betrieb ist eine Strombegrenzung nicht notwendig, da die Stromquelle P3, die den Differenzverstärker versorgt, den Strom durch den Stromspiegel begrenzt. Beim Anlaufen der Schaltung könnte es aber sein, dass die Stromquelle kurzzeitig einen signifikant höheren Strom liefert. Abhängig von den Potentialen an den Eingängen könnte dieser hohe Strom den Differenzverstärker schädigen. Die Transistoren P1, P2, N1 und N2 sind sehr groß und entsprechend robust, die Stromquelle P3 könnte aber Schaden nehmen. In diesem Fall wäre die Z-Diode hilfreich.

Der Differenzverstärker steuert eine Spannungsverstärkerstufe aus (gelb), die auf dem Transistor N3 und der Stromquelle P4 basiert. In diesem Bereich findet sich auch die Rückkopplung R5/C1, die die Bandbreite des Operationsverstärkers begrenzt. Die Z-Diode D2 begrenzt die maximale Aussteuerung der Endstufe.

Auf den Spannungsverstärker folgt eine Push-Pull-Ausgangsstufe (rot). Der Highsidetransistor ist wie der Lowsidetransistor ein n-Kanal MOSFET. Der Lowsidetransistor arbeitet mit dem Eingangssignal der Spannungsverstärkerstufe, der Highsidetransistor nutzt das um 180° phasenverschobene Ausgangssignal der Spannungsverstärkerstufe. Der Ausgang ist laut Datenblatt unbegrenzt kurzschlussfest. Der Lowsidetransistor ist mit der Einschränkung durch die Z-Diode D2 offensichtlich eigensicher. Im Sättigungsbereich der Kennlinie begrenzt der MOSFET selbst den Strom. In Serie zum Highsidetransistor wurde der Widerstand R6 integriert, der bei einem Kurzschluss für eine gewisse Entlastung des Transistors sorgt.

Im rechten Bereich des Schaltplans wird die Referenzspannung erzeugt, die die zwei Stromquellen P3 und P4 steuert (blau). Abhängig von den Größenverhältnissen der zwei Stromspiegel P5/P6 und N6/N7 und dem Widerstandswert R7 ergibt sich ein gemeinsamer Arbeitspunkt, der eine einigermaßen stabile Referenzspannung liefert.

 

TLC272 Datenblatt Die

Da der TLC272 unter der Bezeichnung TLC272Y alternativ als blankes Die verkauft wurde, enthält das Datenblatt auch eine Abbildung der Metalllage des Dies.

 

TLC272 Die

TLC272 Die

Die Strukturen des Dies stimmen zum Großteil mit dem im Datenblatt abgebildeten Layout überein. Texas Instruments bezeichnet die dem TLC272 zugrunde liegenden Technologie als "Silicongate LinCMOS".

 

TLC272 Die Detail

Das Design stammt aus dem Jahr 1997.

 

TLC272 Die Detail

Auf dem Die sind die Zeichen TLC272D abgebildet. Das D könnte für die Revision des Designs stehen. Dazu würde passen, dass in der Abbildung im Datenblatt die Zeichen TLC272C abgebildet sind.

 

TLC272 Die Detail

An einer Stelle bildet die Metalllage zwei kleine Elemente ab, die bei genauerer Betrachtung elektrisch isoliert sind und scheinbar keine sinnvolle Funktion besitzen. Vielleicht handelt es sich um Symbole der Entwickler. Dass es sich auf jeden Fall um bewusst abgebildete Symbole handelt zeigt sich auf dem Die des TLC274.

 

TLC272 Die Analyse

Die Strukturen sind verhältnismäßig groß und lassen sich entsprechend gut analysieren. Die Zweiteilung des Dies ist deutlich zu erkennen. Die meisten Schaltungsteile sind doppelt vorhanden, lediglich die Referenzspannungsquelle der Arbeitspunkteinstellung teilen sich die beiden Operationsverstärker.

Die Eingangstransistoren P1/P2 sind auf vier Vierergruppen aufgeteilt (rot/grün). Durch die Verschaltung über Kreuz wirken sich thermische Gradienten sehr gleichmäßig auf die beiden Transistoren aus, was für einen kleinen Temperaturkoeffizienten der Offsetspannung sorgt. Der Stromspiegel N1/N2 ist ebenfalls auf vier Vierergruppen aufgeteilt (blau/orange), dort sind allerdings nur die kompletten Gruppen über Kreuz verschaltet.

An der unteren Kante ist die Endstufe des TLC272 integriert (gelb). Im linken Bereich befinden sich unter anderem die Spannungsverstärkerstufe und das Rückkopplungsnetzwerk (rosa). In der Mitte des Dies ist die Schaltung der Arbeitspunkteinstellung integriert (türkis).

 

TLC272 Die Bondpad Schutzschaltung

Die Ausgangsbondpads und das Bondpad des positiven Versorgungspotentials besitzen einen ESD-Schutz aus einem MOSFET, der mit dem Bezugspotential verbunden ist. Als Gate-Elektrode dient ein Streifen der Metalllage. Die MOSFETs innerhalb der Schaltung besitzen eine Gate-Elektrode aus Polysilizium, unter der sich nur ein dünnes Gateoxid befindet. Das dicke Gateoxid unter der Metall-Elektrode erhöht die Thresholdspannung, so dass der MOSFET nur bei der hohen Spannung eines ESD-Impulses leitend wird. Das Potential des Bondpads wird nicht direkt über die Metalllage in die Schaltung geführt, sondern vom Drain-Bereich abgegriffen. Das erhöht die Impedanz und reduziert so die Gefahr, dass Impulse den Operationsverstärker schädigen.

 

TLC272 Die Bondpad Schutzschaltung

Die Eingänge besitzen ebenfalls ESD-Transistoren. Zusätzlich wurde dort ein Längswiderstand integriert. Es handelt sich um den im Schaltplan dargestellten Eingangswiderstand. Das darauffolgende Element könnte eine Z-Diode sein. Man kann davon ausgehen, dass die Gateelektroden der Eingangstransistoren stärker geschützt werden müssen als der Ausgang und der Versorgungseingang.

 

TLC272 Die Eingangstransistoren

Die Eingangstransistoren besitzen kreisförmige Gate-Elektroden. Die über Kreuz Verdrahtung erzeugte einen nicht unerheblichen Aufwand bei der Leitungsverlegung.

 

TLC272 Die Stromspiegel

Die Eingangstransistoren sind p-Kanal MOSFETs. Der hier zu sehende Stromspiegel arbeitet mit n-Kanal MOSFETs. Deren Gate-Elektroden sind deutlich breiter ausgeführt.

 

TLC272 Die Stromspiegel

Die Source-Widerstände des Stromspiegels befinden sich links der Transistoren. Das Datenblatt beschreibt eine "Trimmed Offset Voltage". Ein sinnvoller Abgleich der Offsetspannung ist nur über diese Sourcewiderstände möglich. Für eine Justage sind die Widerstände aber zu dünn und sie sind zum Großteil von der Metalllage verdeckt. Vielleicht erfolgte der Abgleich nur beim TLC277, der explizit unter dem Punkt "Trimmed Offset Voltage" vermerkt ist. Die abweichende Bezeichnung könnte auf ein anders aufgebautes Die hindeuten.

Die Z-Diode D1 des Stromspiegels ist relativ unscheinbar in der linken oberen Ecke neben der Z-Diode D2 integriert.

 

TLC272 Die Referenzspannungserzeugung

In der Mitte des Dies befindet sich die Referenzspannungserzeugung für die Arbeitspunkteinstellung. Im oberen Bereich ist der mit n-Kanal MOSFETs aufgebaute Lowside-Stromspiegel zu finden. Die Transistoren sind unterschiedlich groß aufgebaut, was für die Funktion der Referenzspannungserzeugung notwendig ist.

 

TLC272 Die Referenzspannungserzeugung und Stromquellen

Im unteren Bereich sind ganz unten die verhältnismäßig kleinen p-Kanal MOSFETs des Highside-Stromspiegels integriert. Die großen, links angeordneten Transistoren stellen die Stromquellen für den Differenzverstärker (oben) und die Spannungsverstärkerstufe (unten) dar. Rechts befinden sich die zwei Stromquellen für den rechten Operationsverstärker.

Zwischen den Stromquellen sind weitere Schaltungsteile integriert, die sich im Datenblatt nicht finden. Sie sind in die Referenzspannungserzeugung eingebunden. Man kann davon ausgehen, dass es sich um eine Hilfsschaltung handelt, die einen sauberen Anlauf der Referenzspannungsquelle garantiert.

 

TLC272 Die Spannungsverstärkungsstufe Rückkopplung

Der Transistor N3 der Spannungsverstärkerstufe ist auf zwei Bereiche aufgeteilt. Besonders interessant sind der Kondensator C1 und der Widerstand R5 des Rückkopplungsnetzwerks. Der Widerstand R5 erstreckt sich von der linken unteren Ecke, über eine Schleife, am Endstufentransistor und dem Stromspiegel der Eingangsstufe vorbei bis zum Ausgang des Differenzverstärkers.

 

TLC272 Die Rückkopplung

Der Kondensator C1 besteht aus drei Elektroden. Die mittlere Elektrode ist mit dem Widerstand R5 verbunden (rot). Das Potential des Ausgangs (grün) wird zum Kondensator geführt und kontaktiert dort die obere und die untere Elektrode (blau). Das Rechteck der Metalllage dient mit Sicherheit dazu die Kapazität zu variieren. Darunter ist die obere Elektrode des Kondensators unterbrochen. Die beiden Durchkontaktierungen (schwarz) verbinden die Teilbereiche. Entfernt man diese Verbindung, so reduziert man entsprechend die Kapazität.

 

TLC272 Die Endstufe

Highside- und Lowsidetransistor der Endstufe sind in einen gemeinsamen Bereich integriert. Von oben werden die zwei in Schleifen verlegten Gate-Elektroden kontaktiert. Im oberen Bereich befindet sich der Lowsidetransistor (blau). Im unteren Bereich befindet sich der Highsidetransistor (rot), der etwas größer ist als der Lowsidetransistor. Mittig wird der Ausgang abgegriffen, das positive Versorgungspotential und das Massepotential kontaktieren den Bereich an der unteren und der oberen Kante.

 

TLC272 Die Detail

Ein breiter Streifen bildet den Widerstand R6 in der Zuleitung des Highsidetransistors (rot). Über dem Streifen befindet sich eine große Metallfläche, die auf einer Seite mit einem Widerstand (gelb) an das positive Versorgungspotential angebunden ist. Auf der anderen Seite befindet sich ein größeres Element (grün), dessen Funktion sich nicht erschließt. Es scheint ebenfalls irgendwie mit dem positiven Versorgungspotential verbunden zu sein.

Es wäre denkbar, dass sich die Metalllage ähnlich einer Gate-Elektrode verhält und so die Eigenschaften des darunter liegenden Widerstandstreifens optimiert. Dagegen spricht das Layout des TLC274. Somit bleibt offen welchen Zweck die Schaltung erfüllt.

 

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