Richi´s Lab

PMI OP284

OP284

Der OP284 ist ein Zweifach-Operationsverstärker mit einem Rail-to-Rail-Eingang und einem Rail-to-Rail-Ausgang. Die Versorgungsspannung kann zwischen 3V und 36V gewählt werden. Bei 5V nimmt der OP284 maximal 1,45mA auf. Der Biasstrom der bipolaren Eingangstransistoren liegt typischerweise bei 60nA. Die maximale Offsetspannung beträgt bei der besten Sortierung 65µV. Die Slewrate gibt das Datenblatt mit 2,4V/µs, die Bandbreite mit 3,25MHz an. Neben dem OP284 ist auch ein Baustein mit einem (OP184) und ein Baustein mit vier Operationsverstärkern (OP484) verfügbar.

 

OP284 Datenblatt Schaltplan

Der Schaltplan im Datenblatt zeigt, wie ein Rail-to-Rail-Eingang üblicherweise aufgebaut ist. Damit die Schaltung übersichtlich wird, muss man die relevanten Funktionsblöcke farblich markieren. Am Eingang befinden sich zwei inverse Eingangsstufen. Der türkise Differenzverstärker (R3/R4/Q3/Q4/QB3) funktioniert bis zu einer Gleichtaktspannung in Höhe der positiven Versorgungsspannung. Sinkt die Gleichtaktspannung in den Bereich der negativen Versorgungsspannung, so ist die Funktion durch den grünen Differenzverstärker (R1/R2/Q1/Q2/QB6) sichergestellt. QL1 und QL2 (grau) sind Schutzstrukturen, die die Spannung am Eingang begrenzen.

Die Biasströme von Operationsverstärkern mit Rail-to-Rail-Eingangsstufen sind oft unstetig und unterliegen nicht selten starken Bauteilstreuungen. Das erschwert die Kompensation in der Anwendung. Das Datenblatt des OP284 spezifiziert einen großteils linearen Zusammenhang zwischen der Gleichtaktspannung und dem Biasstrom. Der Eindruck täuscht allerdings, da dort ein Gleichtaktspannungsbereich von -15V bis 15V dargestellt ist. Ungefähr 1V vor den Spannungsgrenzen ändert sich die Steigung der Kennlinie sehr stark, da einer der Differenzverstärker dort die Funktion einstellt. Bei einem Spannungsbereich von 30V erscheinen die 1V breiten Randbereiche nicht allzu kritisch. Bei einer Versorgungsspannung von 3V ist diese Eigenschaft allerdings sehr viel problematischer.

Auf die Differenzverstärker folgt eine Schaltung, die das Datenblatt als "compound folded cascode gain stage" bezeichnet. Die Transistoren Q7/Q8 stellen tatsächlich eine Kaskodenschaltung dar. Die Transistoren Q5/Q6 bilden dagegen mit Q9 einen Stromspiegel. In diesem Bereich werden die Ausgänge der beiden Differenzverstärker zusammengeführt. Darauf folgt die Treiberstufe für den Ausgang (rot), in der der Transistor Q10 mit der Stromsenke QB7 zusammenarbeitet.

Ungewöhnlich sind die vier Transistoren Q11/Q12/Q9/Q10 (gelb). Sie scheinen zur Kompenation der Basisströme integriert worden zu sein.

Im linken Bereich wird der Referenzstrom für die Stromspiegel erzeugt, die der Arbeitspunkteinstellung dienen.

Die Endstufe besitzt im Highsidepfad einen PNP- und im Lowsidepfad einen NPN-Transistor, so dass das Ausgangspotential bis fast zu den Versorgungspotentialen hin ausgesteuert werden kann. Begrenzend sind hier lediglich die Sättigungsspannungen der Endstufentransistoren, die im OP284 für die Lowside mit 20mV und für die Highside mit 100mV spezifiziert ist. Im Endstufenblock befindet sich neben dem Kondensator CC2 zur Begrenzung des Frequenzgangs auch der Kondensator CFF, der eine Vorsteuerung realisiert. Am Lowside-Transistor reduziert der Kondensator CO zwischen Basis und Kollektor die Schwingungsneigung.

 

OP284 Die

Der obige Chip, der noch als PMI-Bauteil ausgezeichnet ist und aus dem Jahr 1995 stammt, ging bei der finalen Reinigung verloren, weswegen nur dieses nicht optimale Bild vorliegt.

Im Bereich links unten befinden sich das Kürzel PMI und die Buchstabenfolgen JRB und DSC, die Kürzel der Entwickler sein könnten. In der unteren rechten Ecke ist bereits das Logo von Analog Devices zu erkennen. Analog Devices hat PMI im Jahr 1990 gekauft. Darunter wurde das Jahr 1994 festgehalten. An der oberen Kante findet sich mit der Zeichenfolge 1446Z eine typische PMI-Bezeichnung. Z steht für die erste Revision.

 

OP284 Datenblatt Metalllage OP284

In der Revision 0 des Datenblatts ist die Metalllage des OP284 abgebildet. Demnach betragen die Abmessungen 2,34mm x 1,65mm und es wurden 62 Transistoren integriert. Würde man den obigen Schaltplan aufdoppeln, so würden man auf 64 Transistoren kommen. Das spricht dafür, dass sich die beiden integrierten Operationsverstärker die Referenzstromerzeugung teilen.

 

OP484 Datenblatt Metalllage OP284

Auch die Metalllage des OP484 mit vier Operationsverstärkern ist im Datenblatt abgebildet. Diese Variante entstand anscheinend ein Jahr später. Das Die ist 2,79mm x 2,03mm groß und enthält 120 Transistoren. Die Bezeichnung lautet 1447Z.

 

OP284

Dieser OP284 stammt aus dem Jahr 1997 und trägt bereits das Logo von Analog Devices.

 

OP284 Die Verguss

Das Die wird von einem Gel-Verguss geschützt, was auch beim oberen OP284 der Fall war.

 

OP284 Die

Es zeigt sich, dass dieser OP284 bereits die Revision Y, also die zweite Revision des Operationsverstärkers enthält. Es finden sich keine offensichtlichen, funktionalen Unterschiede zur ersten Revision. Am deutlichsten zu erkennen sind leicht unterschiedliche Abstände der Metalllage bei den großen Kondensatoren. Vielleicht musste der Maskensatz lediglich an neue Fertigungslinien angepasst werden.

Das Die ist sehr symmetrisch, aber nicht vollständig symmetrisch aufgebaut. Die beiden Operationsverstärker sind an der vertikalen Achse gespiegelt, die Eingänge befinden sich allerdings links unten und rechts oben, um das übliche Pinning für einen Zweifach-Operationsverstärker darstellen zu können. Interessant ist, dass die Widerstände, die sich direkt an den Eingängen befinden, im unteren Bereich für beide Operationsverstärker vorhanden sind. Ebenso wurden etwas oberhalb des Zentrums des Dies zweimal zwei Eingangswiderstände integriert. Das spricht dafür, dass es sich hier nicht nur um einen Vorhalt handelt, um die beiden Eingänge unten zu platzieren. Anscheinen wollte man die Strukturen unterhalb der Metalllage unbedingt maximal symmetrisch halten.

Das Die wurde einem Abgleich mit einem Laser unterzogen. Das ist an den dafür typischen Widerstandsgeometrien und der quadratischen Teststruktur oben links zu erkennen. Die Widerstandspaare mit den Ausbuchtungen dienen dazu den Offset der aufgedoppelten Eingangsverstärker abzugleichen. In der Mitte, wo sich die Referenz der Arbeitspunkteinstellung befindet, ist ein kleines Netzwerk aus Widerständen integriert, das ebenfalls für einen Abgleich genutzt werden kann.

Die Eingangstransistoren und die Schutzdioden befinden sich im Zentrum des Dies. Die Endstufen sind auf der horizontalen Achse an den Kanten integriert, so dass sich deren Abwärme möglichst gleichmäßig auf die Zweige der Differenzverstärker auswirkt und keine thermischen Drifteffekte erzeugt.

Es zeigt sich, dass die Kapazitäten etwas komplexer aufgebaut sind als im Schaltplan dargestellt. In dem großen Kondensatorblock, dessen untere Elektrode mit dem Ausgang verbunden ist, stellt neben den zwei bekannten Kondensatoren CO und CC2 eine Fläche einen nicht kontaktierten Vorhalt dar. Eine weitere Fläche bildet einen zusätzlichen Kondensator ab, der an den Emitter des Transistors Q15 angebunden ist. Diese Maßnahme reduziert Schwingungsneigungen des Highsidetransistors. Der Kondensator CFF, der der Vorsteuerung dient, befindet sich im oberen Bereich des Dies und besteht aus zwei Flächen. Die zweite Fläche ist mit dem Emitter des Transistors Q15 verbunden und wirkt auch über diesen Pfad als Vorsteuerung.

 

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