Der AD549 ist ein sogenannter Electrometer Operationsverstärker. Das sind Operationsverstärker mit extrem niedrigen Eingangsströmen. Bei der hier vorliegenden besten Sortierung mit dem Index L beträgt der typische Eingangsstrom unabhängig von der Gleichtaktspannung nur 40fA. Das entspricht lediglich einem Elektron alle vier Mikrosekunden. Bis zur maximalen Betriebstemperatur von 70°C steigt dieser Strom zwar wie üblich stark an, bleibt aber unter 2,8pA.
Die typische Offsetspannung liegt bei 0,3mV und kann bei hohen Temperaturen auf bis zu 0,9mV ansteigen. Die Bandbreite beträgt 1MHz, die Slewrate 3V/µs.
Eine Werbeanzeige von Analog Devices aus dem Jahr 1992 vergleicht die Spezifikationen des AD549 mit anderen Low-Noise-Operationsverstärkern. Der Biasstrom des AD549 sticht besonders heraus. Er ist mit deutlichem Abstand der geringste von allen Typen.
Den extrem niedrigen Eingangsstrom erreicht Analog Devices mit der sogenannten "Topgate JFET Technology". Das Datenblatt verweist auf das Patent US5319227 "Low-leakage JFET having increased top gate doping concentration". Dieses Patent beschreibt einen speziellen JFET und enthält die obige Abbildung, die hier zum besseren Verständnis eingefärbt wurde.
Ein Großteil des Leckstroms eines gewöhnlichen JFETs entsteht an der verhältnismäßig großen Grenzfläche zwischen dem Gate und dem Substrat. Bei dem im Patent beschriebenen Topgate JFET ist der obere Teil des Gates vom unteren Teil isoliert. Wie sich noch zeigen wird, ist das Eingangssignal des AD549 lediglich mit dem oberen Teil des Gates verbunden. Die kleine Fläche und die Isolation vom Substrat reduziert den Leckstrom deutlich.
Das Package bietet einen Guard-Pin, der nur mit dem Gehäuse verbunden ist. Will man die niedrigen Eingangsströme des AD549 nicht durch Leckströme übermäßig erhöhen, so muss man die Eingangspotentiale mit Abschirmungen umgeben, die das gleiche Potential führen. Das gilt für das Gehäuse aber auch und vor allem für den Schaltungsträger. Noch besser ist es den kritischen Eingangspin mit der Eingangsbeschaltung gar nicht auf der Platine aufzubauen, sondern auf hochisolierenden Abstandshalter zu konstruieren.
Das negative Versorgungspotential wird mit zwei Bonddrähten zum Die geführt.
Da am Gehäuse das Guard-Potential anliegt, muss das Die mit einem Keramikträger vom Gehäuse isoliert werden.
Ältere Versionen des Datenblatts enthalten ein Abbild der Metalllage. Die Abmessungen des Dies betragen demnach 2,06mm x 1,905mm.
Auf dem Die findet sich die Bezeichnung 549 und zweimal zwei Buchstaben, die Kürzel der Entwickler sein könnten. Das Design stammt aus dem Jahr 1985.
Es wurden mehrere Widerstände mit einem Laser abgeglichen. Typisch für Analog Devices findet sich an der unteren Kante ein Quadrat mit einem Testpunkt, dass zum Abgleich des Laserprozesses verwendet wird und in der oberen rechten Ecke wurde die Zahl 1 eingraviert.
Das Datenblatt des AD549 enthält keinen Schaltplan. Es verweist aber auf das Patent US4639683, das den obigen Operationsverstärker beschreibt. Wie sich noch zeigen wird, stimmt der dort gezeigte Schaltplan bis auf eine Kleinigkeit mit der Schaltung im AD549 überein. Zum besseren Verständnis wurden die einzelnen Funktionsblöcke eingefärbt.
Der rote Block ist der Differenzverstärker am Eingang des OP549. Die JFETs J6/J7 sind die Eingangstransistoren. Sie besitzen jeweils zwei Gate-Anschlüsse, von denen nur das Top-Gate mit dem jeweiligen Eingang verbunden ist. Der Differenzverstärker besitzt ein eigenes V- Potential. Der Doppeltransistor Q21 garantiert, dass die Potentiale in diesem Schaltungsteil niemals zu hoch ansteigen. Die Transistoren Q18/Q19 stellen einen Stromspiegel dar, mit dem die Eingangstransistoren arbeiten. Q17 generiert den Basisstrom des Stromspiegels. Der Transistor Q23 bildet mit der Stromsenke Q22 den Ausgang des Differenzverstärkers. Die Stromsenke Q20 scheint in den linken Pfad eingesetzt worden zu sein, um die Schaltung möglichst symmetrisch zu halten.
Die Transistoren Q15/Q16 reduzieren wahrscheinlich Sättigungseffekte, wenn die Eingangsstufe übersteuert wird. In diesem Fall steuern sie die Kaskoden-Transistoren J8/J9 (türkis) voll auf, die ansonsten die Eingangsstransistoren vor den Auswirkungen von Gleichtaktspannungen abschirmen.
Die Arbeitspunkteinstellung (blau) ist verhältnismäßig komplex. Grundlage bilden die beiden JFETs J1A und J1B mit dem Widerstand R1. Der darüber erzeugte Referenzstrom wird mit dem Transistor Q1 auf die Schaltungsteile unter J3 und J5 verteilt. Die Kaskodenschaltung mit den JFETs isoliert die Stromquellen von Spannungsschwankungen. Der Referenzstrom wird in der unteren Hälfte über die Transistoren Q3-Q6 und Q9-Q12 weiter vervielfältigt.
Der Widerstand R2A ist so abgeglichen, dass in Kombination mit dem Referenzstrom am Punkt 30 das gleiche Potential wie an den Front-Gates von J6 und J7 anliegt. Über die Transistoren Q8/Q13/Q14 (grün) wird dieses Potential zu den jeweiligen Back-Gates übertragen. So ist sichergestellt, dass Front-Gate und Back-Gate immer das gleiche Potential aufweisen.
Der Eingangsverstärker steuert die Spannungsverstärkerstufe (gelb), die wiederum die Endstufe (grau) ansteuert. Die Ruhestromeinstellung (lila) reduziert die Übernahmeverzerrung. Versorgt wird die Endstufe über einen eigenen Stromspiegel bestehend aus Q7 und J10. Q30 und Q31 schützen die Endstufe vor zu hohen Strömen. Ein Überstrom auf der Lowside reduziert nicht direkt deren Aussteuerung, sondern die Ansteuerung der Spannungsverstärkerstufe.
Ein wichtiger Punkt der Schaltung ist der Abgleich. Zuerst stellt man mit Hilfe des Widerstands R1 der Strom durch J1A/J1B auf den Wert ein, bei dem der Temperaturkoeffizient der JFETs minimal wird. Danach wird R2A so abgeglichen, dass sich am Punkt 30 das gleiche Potential einstellt wie an den Front-Gates, also den Eingängen des AD549. Das ist notwendig, damit sich an den Back-Gates das gleiche Potential wie an den Front-Gates einstellen kann. Die JFETs J1A/J1B sind genauso aufgebaut wie die Eingangstransistoren J6/J7. Das sorgt dafür, dass sich Produktionsschwankungen und Drifteffekte auf beide Transistorpaare sehr ähnlich auswirken.
Nach dem Abgleich des Arbeitsstroms erfolgt der Abgleich von Offsetspannung und Temperaturdrift der Eingangsstufe. Die Widerstände R5/R6 definieren die Aufteilung der Ströme auf die beiden Eingangstransistoren. Da der Temperaturdrift der JFETs vom Drainstrom abhängig ist, kann darüber der Temperaturdrift der Offsetspannung eingestellt werden. Aus diesem Grund ist es bei einem JFET-Differenzverstärker nicht ideal die Offsetspannung über das Verhältnis der Drain-Ströme zu justieren, da sich damit gleichzeitig der Temperaturdrift der Offsetspannung verändert. Stattdessen justiert man beim AD549 die Offsetspannung mit den Source-Widerständen R2B/R2C. Weil es keine einfache Möglichkeit gibt die Source-Widerstände von außen zu variieren, erfolgt der die externe Offset-Einstellung trotzdem über die Stromaufteilung in den beiden Zweigen. Das Datenblatt gibt entsprechend pro abgeglichenen Millivolt Offsetspannung einen zusätzlichen Temperaturdrift von bis zu 2,4µV/°C an.
Auf dem Die sind alle Bauteile aus dem Schaltplan des Patents zu finden. Lediglich der Widerstand RJ9 ist eine kleine Abweichung. Dieser Widerstand befindet sich im Drain-Anschluss des Kaskoden-JFETs J9. Aus diesem Zweig des Differenzverstärkers erfolgt die Auskopplung des Signals zur Spannungsverstärkerstufe. Der Widerstand wurde offensichtlich ganz bewusst eingefügt. Der Zweck des Widerstands bleibt offen.
Die JFETs im Eingangsverstärker des AD549 befinden sich mittig (rot). Direkt daneben sind die JFETs des Referenzpfads integriert (blau). Die Anordnung um die horizontale Symmetrieachse des Dies reduziert die Auswirkungen von thermischen Gradienten, die zu einem Großteil durch die Endstufe (grau) erzeugt werden. Dort hat man den Lowside-Transistor auf zwei Transistoren aufgeteilt und um den Highside-Transistor angeordnet. Diese Maßnahme garantiert, dass unabhängig von der Belastung von Highside und Lowside die Verlustleistung immer symmetrisch um die horizontale Symmetrieachse des Dies anfällt. Die restlichen kritischen Transistoren des Eingangsverstärkers sind ebenfalls auf der Symmetrieachse angeordnet (gelb).
Die zwei JFETs am Eingang des Differenzverstärkers und die zwei JFETs im Referenzpfad sind so integriert, dass sie sich möglichst gleich verhalten. Eine weitere Verbesserung wäre nur mit einer Aufteilung und über Kreuz Verschaltung der Transistoren erreichbar, das würde allerdings auch die Fläche der Eingangstransistoren erhöhen, was sich dann wieder negativ auf die Leckströme und parasitären Kapazitäten auswirkt.
Den Arbeitsstrom der JFETs durch baugleiche JFETs einstellen zu lassen ist äußerst vorteilhaft. David Fullagar beschreibt in dem viel zitierten Artikel "Better understanding of FET operation yields viable monolithic J-FET op amp", dass Produktionsschwankungen den Drainstrom Idss von integrierten JFETs um einen Faktor 9 driften lassen. Entsprechen schwierig ist es in einem Design einen idealen Arbeitsstrom festzulegen.
Vergleicht man die Strukturen mit dem Patent US5319227, so sind die Parallelen gut zu erkennen. Lediglich der Source-Kontakt befindet sich im AD549 nicht außen, sondern zwischen dem Top-Gate- und dem Back-Gate-Anschluss.
Die Strukturen lassen sich auf den ersten Blick nicht sofort zuordnen. Das liegt vor allem daran, dass sich die Farben auf dem Die teilweise invers zu den üblichen Farben für n- und p-Dotierungen darstellen.
Der äußerste quadratische Rahmen ist die Grenzfläche zwischen der n-dotierten Wanne und der stark p-dotierten Isolationsschicht, die den Transistor umgibt. Die n-dotierte Wanne führt das Potential des Back-Gate.
Der dunkelblaue Rahmen enthält die starke p-Dotierung, die die größere, äußere Source-Elektrode darstellt. Unter dem mittigen Drain-Kontakt befindet sich dieselbe Dotierung, die allerdings von der Metalllage verdeckt ist.
Die rote Fläche ist das n-dotierte Top-Gate. Darunter liegt der Kanal zwischen Source und Drain. An den Übergängen von der roten Gate-Fläche zu Source und Drain ist ein Art Rahmen zu erkennen. Wahrscheinlich überlappt dort die Gate-Fläche die hochdotierten Kontakte zum eigentlichen Kanal. So kann man sicher sein, dass der Kanal komplett vom Gate bedeckt ist.
Die tief liegende Schicht mit ihrer starken n-Dotierung, die bei NPN-Transistoren als Kollektorzuleitung genutzt wird, zeichnet sich lediglich als Stufe in der Oberfläche ab.
Die beiden Leitungen von den Eingängen des AD549 zu den JFETs des Differenzverstärkers (rot) werden von den Potentialen der Back-Gates (grün) geschirmt. Diese Maßnahme reduziert die parasitären Kapazitäten und wahrscheinlich auch ein Stück weit die Leckströme.
Die Widerstände R1 und R2A bestehen jeweils aus zwei Elementen, die einen umfangreicheren Abgleich zulassen. Ein Testpunkt ermöglicht es das Potential oberhalb des Widerstands R2 zu vermessen, was notwendig ist, um den Gleichlauf von Referenzstromquelle und Eingangsstufe einzustellen.
Die Widerstände R5/R6, mit denen der Offsetdrift eingestellt wird, sind weniger komplex aufgebaut. Die Spuren des Abgleichs sind deutlich zu erkennen.
Das Design bietet die Möglichkeit den Kondensator Cc zu vergrößern und so den Frequenzgang anzupassen.
Die Bipolartransistoren Q15 und Q18 sind direkt in die Strukturen der JFETs J9 und J8 integriert.
