Der hier zu sehende Baustein stammt offensichtlich von Analog Devices und wurde im Jahr 1984 gefertigt. Eine Recherche zu der Bezeichnung AD41632 liefert keinerlei Anhaltspunkte welche Funktion sich dahinter verbirgt. Wie sich noch zeigen wird, handelt es sich bei dem Baustein um den Instrumentenverstärker AD624. Vielleicht liegt hier eine besondere Sortierung vor oder der Baustein wurde speziell abgeglichen, so dass eine abweichende Bezeichnung sinnvoll war.
Mehrere Potentiale des Gehäuses sind über zwei Bonddrähte mit dem Die verbunden. Rechts handelt es sich um die Versorgungspotentiale. Links sind es die Kontakte zur Einstellung des Verstärkungsfaktors. Die Widerstandswerte sind in diesem Bereich sehr klein, so dass kleine Änderungen der Widerstände in den Zuleitungen zu Störungen führen können. Die zwei parallelen Bonddrähte bieten einen geringeren Widerstand und so auch geringere, absolute Temperaturschwankungen.
Die Abmessungen des Dies betragen 4,3mm x 2,6mm.
Auf dem Die findet sich die Zahlenfolge 624, die auf den AD624 verweist. Das Design wurde offensichtlich in den USA entwickelt.
Das AD624-Datenblatt Revision C aus dem Jahr 1999 enthält eine Abbildung der Metalllage. Die Strukturen weichen an einigen Stellen von dem hier zu sehenden Die ab, das offenbar aus dem Jahr 1984 stammt. Die älteste Erwähnung des AD624 findet sich in einer Werbeanzeige in der Zeitschrift Computer Design im Februar 1984. Das hier vorliegende Modell scheint ein sehr frühes zu sein. Die Metalllage aus dem Datenblatt enthält die Jahreszahl 1991. In älteren Datenblättern findet sich dieses Bild noch nicht. Das spricht dafür, dass das Design 1991 überarbeitet wurde.
Abgesehen von den Details in der Schaltung fällt zuerst auf, dass das Die aus dem Datenblatt größer ist. Man hat die untere Kante verlängert, um eine Teststruktur zu integrieren. Außerdem finden sich mehrere Buchstaben, die Initialen von Entwicklern sein könnten: KH, SW und GM. Das ist verwunderlich. Bei einer Weiterentwicklung verschwinden nicht funktionale Elemente oftmals.
Das Datenblatt zeigt ein Blockschaltbild des AD624. Der Instrumentenverstärker besteht aus der üblichen Konfiguration von drei Operationsverstärkern, wobei die Operationsverstärker am Eingang aufgedoppelt wurden. Der erste Verstärker dient hauptsächlich als Pufferstufe. Der zweite Verstärker übernimmt den Großteil der Spannungsverstärkung.
Der AD624 enthält Widerstände, die es ermöglichen diverse Verstärkungsfaktoren zwischen 1 und 1000 einzustellen. Die Integration auf dem Die garantiert sehr ähnliche Temperaturen und reduziert so die Effekte von Temperaturdrifts. Da die Produktion einen Abgleichprozess enthält, können die Verstärkungsfaktoren mit kleinen Toleranzen spezifiziert werden. In der besten Sortierung beträgt die Abweichung vom Sollwert maximal 0,25% (G=200, G=500).
Am Ausgang befindet sich schließlich ein Ausgangstreiber mit einem Feedback- und einem Referenzeingang, so dass Spannungsabfälle über Leitungsimpedanzen ausgeregelt werden können.
Der AD624 darf mit +/-6V bis +/-18V betrieben werden und nimmt dabei typischerweise 3,5mA auf. Die Sortierung mit dem Index S erlaubt einen Betriebstemperaturbereich von -55°C bis 125°C. Die Grenzfrequenz wird mit 25MHz angegeben. Das Stromrauschen beträgt 60pA, das Spannungsrauschen 0,2µV ab einem Verstärkungsfaktor von 200 (Frequenzbereiche: 0,1-10Hz).
Das Datenblatt zeigt, wie sich mit unterschiedlichen Verschaltungen der integrierten Widerstände sehr viele Verstärkungsfaktoren einstellen lassen, ohne dass man dabei externe Widerstände benötigt.
In dem Dokument "Linear Design Seminar" hat Analog Devices einen detaillierteren Schaltplan veröffentlicht. Auf den ersten Blick sieht dieser vollkommen anders aus, er widerspricht aber nicht der einfacheren Übersicht im Datenblatt. An den Eingängen befinden sich Pufferstufen (hellgrün). Die Transistoren jeder Seite sind aufgedoppelt, was man hier nur durch die doppelte Bezeichnung erkennen kann. Wie sich noch zeigen wird, sind die Transistoren über Kreuz verschaltet. Temperaturdrifts wirken sich damit möglichst gleichmäßig auf die Schaltung aus und beeinflussen das Signal nur sehr wenig.
Die Eingangswiderstände und die Dioden schützen die Transistoren vor zu hohen und zu niedrigen Eingangsspannungen, indem sie den Stromfluss begrenzen. Mit Bipolartransistoren kann man üblicherweise eine bessere Gleichtaktunterdrückung darstellen als mit FETs. Dazu ergibt sich eine geringe Offsetspannung von maximal 75µV. Die verhältnismäßig hohen Basisströme werden durch zwei Stromquellen kompensiert (orange), deren Ströme sich an die jeweiligen Arbeitspunkte anpassen. Das Datenblatt spezifiziert für die beste Sortierung einen Biasstrom von maximal +/-15nA.
Der AD624 basiert auf einem Konzept, das als "cross degeneration" oder "pi degeneration" bezeichnet wird. Dabei besitzt jeder Differenzverstärkerzweig eine eigene Stromsenke (I3, I4, dunkelgrün). Der Widerstand zwischen den beiden Zweigen (türkis) definiert den Verstärkungsfaktor. Die Stromquellen I1 und I2 (lila) sorgen dafür, dass sich die Ausgänge der Pufferstufen wie Stromquellen verhalten.
Zwischen den Eingangsverstärkern befinden sich die Operationsverstärker A1 und A2 (blau, rot), die die Spannungsverstärkung realisieren. An den nicht invertierenden Eingängen ist eine Spannungsquelle angeschlossen, die der Arbeitspunkteinstellung dient (rosa). Parallel zu den Operationsverstärkern sind die Kondensatoren C3 und C4 integriert, die den Frequenzgang begrenzen. Die Ausgänge der zwei Verstärker stellen direkt den differentiellen Ausgang dieser Stufe dar.
Die Rückkopplung und damit auch die Definition des Verstärkungsfaktors erfolgt über die Widerstände R56 und R57 in Kombination mit dem Widerstand zwischen RG1 und RG2. Die Verschaltung sorgt dafür, dass der Strom durch den Widerstand RG von den Operationsverstärkern getrieben wird und nicht die Eingangstransistoren belastet. Tatsächlich bleiben die Potentiale und Ströme an den Transistoren sogar konstant, was ein sehr lineares Verhalten garantiert.
Die vier 10kΩ-Widerstände am Ausgangsverstärker (gelb) sind kritische Elemente. Sie müssen möglichst gleiche Werte aufweisen, um die hohe Gleichtaktunterdrückung von mindestens 115dB in der besten Sortierung (G=500) nicht zu verschlechtern.
Die einzelnen Schaltungsblöcke lassen sich auf dem Die gut identifizieren. Links befindet sich der Eingangsverstärker und rechts sind die Endstufen integriert. Die Endstufen besitzen eigene Versorgungskontakte, so dass der höhere Stromfluss dort die restlichen Schaltungsteile möglichst wenig beeinflusst. Die vier Eingangstransistoren sind in der bekannt Kreuzkonfiguration angeordnet (hellgrün). Die Biasstromkompensation (orange) wurde in der direkten Umgebung integriert.
Nach rechts folgen die zwei Stromsenken in den Emitterpfaden und die zwei Stromquellen in den Kollektorpfaden der Eingangstransistoren (dunkelgrün/lila). Die zugehörigen Widerstände bieten die Geometrien für einen Abgleich der einzelnen Stromsenken beziehungsweise Stromquellen. Die Pins Output Null beeinflussen die Stromsenken. Da ein Offset an dieser Stelle noch mit dem Verstärkungsfaktor multipliziert wird, kann darüber die Offsetspannung am Ausgang eingestellt werden. Die Pins Input Null justieren die Stromquellen und dienen ohne Verstärkung dazu den Offset am Eingang zu kompensieren.
An der oberen linken Kante des Dies befindet sich das Widerstandsnetzwerk, das als Widerstand RG genutzt werden kann. Zwischen den Eingangstransistoren und den Operationsverstärkern hat man hier noch eine Pufferstufe integriert, die im Datenblatt nicht abgebildet ist (weiß). Sie besteht aus einem Transistorpärchen und zwei Stromquellen. Nach rechts folgen an der oberen und der unteren Kante die Widerstände R56 und R57, die das Ausgangssignal der Operationsverstärker A1 und A2 (blau/rot) in den Eingangsverstärker zurückkoppeln. Testpunkte ermöglichen einen direkten Abgleich dieser Widerstände.
Die Operationsverstärker A1, A2 und A3 (blau/rot/gelb) nehmen mehr als die Hälfte des rechten Bereichs ein. Die nicht markierten Schaltungsteile scheinen eine Referenz für die Arbeitspunkteinstellung darzustellen. In diesem Bereich befindet sich auch die Spannungsquelle, die das Potential an den nicht invertierenden Eingängen der Operationsverstärker A1 und A2 definiert (rosa). Die Eingangstransistoren der drei Operationsverstärker sind mit J-FETs ausgestattet. Diese befinden sich alle mit ihren Stromquellen in der Mitte des Dies. Temperaturdrifts in den Eingangsstufen der Operationsverstärker A1/A2 sind relativ unkritisch solange sie in beiden Operationsvertärkern gleich auftreten. Aus diesem Grund ist die außermittige, waagerechte Platzierung der Eingangstransistoren unproblematisch. Wichtiger ist die symmetrische Anordnung der beiden Eingangstransistor-Paare. Die restlichen Schaltungsteile der Operationsverstärker A1/A2 (blau/rot) erstrecken sich bis zur rechten Kante, wo die Endstufen integriert sind.
Im Fall des Operationsverstärkers A3 (gelb) ist der Temperaturdrift kritischer. Man hat entsprechend die Eingangstransistoren aufgedoppelt und sinnvoll verteilt. Der Abgleich der Eingangsstufe erfolgt über zwei sehr großflächige Widerstände, die einen recht genauen Abgleich ermöglichen. Auch die Endstufe dieses Operationsverstärkers ist an der rechten Kante des Dies integriert. Diese Anordnung und die Symmetrie der kompletten Schaltung garantieren niedrige Temperaturdrifts. Die Widerstände R52, R53, R54 und R55, die besonders kritisch für die Gleichtaktunterdrückung sind, wurden an den Kanten im rechten Bereich integriert. Parallel zu den Widerständen R53 und R55 sind kleine Kapazitäten geschaltet, die den Frequenzgang des Ausgangsverstärkers begrenzen.
Auf dem Die ist ein Quadrat des Widerstandsmaterials integriert, das zum Abgleich des Laserprozesses verwendet wird. In der oberen rechten Ecke befindet sich ein Bereich, in den eine 3 eingraviert ist. Vielleicht kann man darüber den Abgleichprozess zurückverfolgen oder es wird die Güte des Abgleichs festgehalten.
Die Widerstände, die als RG verwendet werden können, bieten mehrere Abgleichmöglichkeiten. Dünnere Elemente werden bei Bedarf vollständig durchtrennt. Ein dickeres Element hat man nur eingeschnitten. Ein weiteres, sehr breites Element könnte ebenfalls für einen Abgleich vorgehalten worden sein.
Die Widerstände um den Operationsverstärker A3 besitzen eine spezielle Form, die man bei abgleichbaren Widerständen öfter findet.
Im "Linear Design Seminar" beschreibt Analog Devices warum die unterschiedlichen Formen gewählt werden. Am einfachsten ist es einen waagerechten Schnitt in einen einfachen Streifen einzubringen. Ändert man im Lauf des Abgleichs die Schnittrichtung, so kann man den Widerstandswert genauer einstellen. Beide Varianten führen allerdings zu hohen Stromdichten in der verbleibenden Widerstandsfläche. Die dritte Variante besitzt diese Schwäche nicht, da der Schnitt in einer Ausbuchtung erfolgt. Für diese Variante muss der initiale Widerstandswert allerdings bereits einigermaßen genau sein.
Die obige Abbildung stammt ebenfalls aus dem "Linear Design Seminar" von Analog Devices. Neben dem AD624 existieren zwei leicht unterschiedliche Varianten, der AD524 und der AD625. Alles drei Bausteine werden noch produziert, sind aber als NRND gekennzeichnet ("not recommended for new design"). Der AD524 scheint die ursprüngliche Entwicklung gewesen zu sein. Er wird bereits 1982 das erste Mal im Data Acquisition Databook von Analog Devices erwähnt. Der AD524 besitzt JFETs an den Eingängen, die den Baustein vor Überlastung schützen. Im AD624 ersetzen 50Ω-Widerstände diese JFETs. Außerdem hat man die integrierten RG-Widerstände etwas angepasst, so dass mehrere unterschiedliche Verstärkungsfaktoren eingestellt werden können. Im AD625 fehlen diese Widerstände. Sie sind extern zu ergänzen.
Das Datenblatt des AD524 enthält ebenfalls eine Abbildung der Metalllage, die allerdings qualitativ deutlich schlechter ist. Es wird trotzdem deutlich, dass der vorliegende AD624 abgesehen von der Eingangsschutzbeschaltung diesem Design ähnlicher ist als der Abbildung in seinem eigenen Datenblatt. Im rechten Bereich ist die Jahreszahl 1987 zu erkennen.
Bei einer genaueren Betrachtung der im AD624-Datenblatt abgebildeten Metalllage fällt auf, dass die Eingangstransistoren unterschiedlich kontaktiert werden. Im hier vorliegenden AD624 besitzt jeder der vier Eingangstransistoren zwei Emitter. Die Abbildung im Datenblatt zeigt deutlich, dass sich dort nur ein Emitterkontakt befindet. Das bedeutet, dass im Laufe der Entwicklung die Eingangstransistoren von zwei Emittern auf einen Emitter umgestellt wurden. Im Datenblatt der AD524 kann man auf Grund der komplexeren Metalllage im Bereich der Eingangstransistoren davon ausgehen, dass auch hier Transistoren mit zwei Emitter eingesetzt wurden, was zur zeitlichen Einsortierung passt.
Ein weiterer Unterschied in der Metalllage zeigt sich im Bereich der Kontakte Output NULL. Es handelt sich um den Offsetabgleich, der noch die Verstärkung des Bausteins durchläuft. Die neuere Metalllage im Datenblatt kontaktiert offensichtlich direkt bei den Bondpads zwei Widerstände. Die Größe der Fläche lässt vermuten, dass die Widerstände abgeglichen werden konnten. Der initiale Offsetabgleich selbst erfolgt bereits bei den zugehörigen Stromsenken. Das bedeutet, dass man es für notwendig erachtet hat zusätzlich den Pfad für den externen Abgleich abzugleichen. Natürlich kann man bei einem externen Abgleich auf unterschiedliche Toleranzlagen reagieren, das Verhalten ist aber weniger berechenbar. Mit der Ergänzung der abgleichbaren Widerstände hat man die zwei Widerstände im weiteren Verlauf der Leitungen entfallen lassen.
Auf dem Die finden sich neben den NPN- und den PNP-Transistoren zusätzlich p-Kanal JFETs. Besonderes Interesse wecken allerdings ungewöhnliche Strukturen, die offensichtlich aus zwei Elementen bestehen.
Bei diesen ungewöhnlichen Elementen handelt es sich um Kombinationen aus PNP-Transistoren und p-Kanal JFETs. Die Strukturen des PNP-Transistors sind einigermaßen selbsterklärend. Der Emitter ist ein p-dotierter Kreis, der sich in einer n-dotierten Fläche befindet, die die Basis darstellt. Ein äußerer, p-dotierter Ring bildet den Kollektor. Die Kontaktierung der Basisfläche erfolgt über eine starke n-Dotierung.
Der p-dotierte Kollektorring erweitert sich nach rechts zum ersten Source-Kontakt des JFETs. Tatsächlich erstreckt sich diese p-Schicht über die komplette Fläche des JFETs und wird abwechselnd als Source und Drain kontaktiert. Darüber befindet sich eine n-dotierte Schicht, die das Gate darstellt. Unter der p-dotierten Source-Drain-Schicht ist das Silizium ebenfalls n-dotiert.
Die rot erscheinenden Streifen oberhalb und unterhalb des JFETs lassen sich nicht sofort zuordnen. Die Farbe würde für eine p-Dotierung sprechen, was allerdings nicht sinnvoll wäre. Die Farben ergeben sich lediglich durch die unterschiedlichen Dicken der darüber liegenden Siliziumoxidschichten, sie sagen von sich aus nichts über die Dotierung aus. Es erscheint am wahrscheinlichsten, dass es sich um die starke n-Dotierung handelt, die sich als Basis-Gate-Zuleitung über das ganze Bauteil erstreckt. Die unterschiedliche Farbe ergibt sich wohl durch eine zusätzliche oder anders ausgeformte Schicht, die sich nur im Bereich des JFETs befindet. Vermutlich handelt es sich um eine Eigenheit des Prozesses.
In gewöhnlichen Bipolarprozessen werden n-Kanal JFETs oft als einfache Stromquellen verwendet. Rudimentäre JFET-Strukturen zu integrieren ist verhältnismäßig einfach. Es ist allerdings sehr viel komplizierter JFETs aufzubauen, deren Qualität für eine hochwertige analoge Signalverarbeitung ausreichend ist. Folglich kann es durchaus sein, dass die obigen JFET-Strukturen mit einem besonderen Prozess hergestellt wurden. Anscheinend waren die Eigenschaften der JFETs ausreichend wichtig für den AD624, um den Mehraufwand zu rechtfertigen.
Die Doppelstrukturen werden im AD624 als Stromquellen verwendet. Die Kombination verhält sich wie eine Kaskode, so dass der JFET den Kollektor des Transistors von Spannungsschwankungen isoliert. Im Gegensatz zu einer Kaskodenschaltung mit zwei PNP-Transistoren benötigt man hier kein Hilfspotential.
