Der MUSES02 ist ein für den High-End-Audiobereich optimierter Zweifach-Operationsverstärker. Er wurde von der japanischen Firma New Japan Radio entwickelt. Mittlerweile gehört der MUSES02 zu Nisshinbo Micro Devices, einem Zusammenschluss von New Japan Radio und Ricoh Electronic Devices. Digikey führt den MUSES02 mit einem Stückpreis von 56€.
Der Betriebsspannungsbereich erstreckt sich von +/-3,5V bis +/-16V. Die typische Stromaufnahme beträgt 8mA. Besonders prominent präsentiert das Datenblatt die Rauschspannungsdichte von 4,5nV/√Hz und die Spannungsverstärkung von 110dB. Die maximal Spannungsanstiegsszeit beträgt typischerweise 5V/µs. Die Bandbreite ist mit 5,8MHz spezifiziert. Zwischen den zwei integrierten Operationsverstärkern garantiert der Hersteller eine Isolation mit einer Dämpfung von 150dB. Änderungen der Gleichtaktspannung und der Versorgungsspannung werden typischerweise mit 110dB gedämpft.
Die beiden Operationsverstärker befinden sich auf zwei einzelnen Dies. Das erklärt die geringe Überkopplung von einer Seite auf die andere.
Die Abmessungen des Dies betragen 2,5mm x 1,2mm. Der Prozess scheint nicht übermäßig modern zu sein. Die Strukturen sind verhältnismäßig groß und es finden sich keine speziellen Elemente. Große Strukturen sind im Bereich von Präzisionsschaltungen durchaus ein Vorteil. So erzeugen größere Elemente zum Beispiel intrinsisch weniger Rauschen.
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Das Design stammt offensichtlich aus dem Jahr 2008. Der Buchstabe B könnte für eine zweite Revision stehen, er könnte aber auch einen anderen Hintergrund haben. Das Zeichen, das an die Zahl 7 erinnert, finden sich oft auf Bauteilen von Nisshinbo Micro Devices. Es scheint sich um ein Zeichen aus der japanischen Silbenschrift Katakana zu handeln. Die Bedeutung bleibt unklar.
Betrachtet man die Schaltung genauer, so fällt auf, dass man bei der Spannungsversorgung sehr viel Aufwand getrieben hat. Sowohl das negative als auch das positive Potential werden jeweils über zwei Bonddrähte auf unterschiedliche Bondpads geführt. Zusätzlich hat man von diesen Bondpads aus die Potentiale sternförmige verteilt, so dass sich die einzelnen Schaltungsblöcke möglichst wenig gegenseitig beeinflussen.
Die integrierte Schaltung ist nicht allzu komplex, enthält aber einige Besonderheiten. Als Eingangsstufe dienen zwei PNP-Transistoren, die in einen klassischen Differenzverstärker eingebettet sind. Die Leitungen von den Bondpads zu den Eingangstransistoren sind so ausgelegt, dass sie gleiche Längen und damit gleiche Widerstände aufweisen. Die Transistorenpaare Q1/Q2 und Q4/Q5 hat man einigermaßen mittig und über Kreuz platziert. Beide Maßnahmen reduzieren den Einfluss thermischer Gradienten auf die Eingangsstufe.
Der Transistor Q6 stellt eine Pufferstufe dar, die die einseitige Belastung des Differenzverstärkers durch die folgende Verstärkerstufe reduziert. Der Transistor Q7 realisiert die Spannungsverstärkung des Operationsverstärkers. Die Spannungsverstärkerstufe und die Endstufe nutzen das zweite negative Potential V2-, so dass deren dynamischen Ströme das Potential V1- nicht beeinflussen. Die Stromversorgung des Spannungsverstärkers erfolgt über den Transistor Q11 mit einem konstanten Strom. Da der Arbeitsstrom konstant ist, kann man dafür das Potential V1+ heranziehen.
Der Kondensator C2 reduziert den Einfluss der Basis-Kollektor-Kapazität des Transistors Q7. Diese sogenannte Millerkapazität ist spannungsabhängig und kann entsprechend das Signal verzerren. C2 begrenzt außerdem den Frequenzgang des Operationsverstärkers. Das RC-Glied R7/C3 stellt eine weitere lokale Gegenkopplung dar. Der Transistor Q8 schützt die Endstufe vor Überlast. Wird Q7 soweit aufgesteuert, dass sein Kollektorpotential sehr weit absinkt, so wird Q8 leitend und zieht den Basisstrom von Q6 ab, was letztlich die Aussteuerung der Kette bis hin zu Q9 reduziert.
Der Block Q12/R8/Q13 erzeugt einen bestimmten Spannungsabfall, der dafür sorgt, dass beide Endstufentransistoren im Übergabebreich immer einen gewissen Ruhestrom fließen lassen. Das reduziert Übergabeverzerrungen im Nulldurchgang des Signals. Die Endstufe ist komplementär aufgebaut. Zusammengeführt werden die beiden Pfade über zwei niederohmige Widerstände.
Ungewöhnlich ist die Steuerung der beiden Stromquellen Q3 und Q11. Sie erfolgt nicht über ein gemeinsames Bias-Potential. Jede Stromquelle besitzt ihren eigenen Stromspiegel, der seinen Referenzstrom aus einer eigenen Stromsenke erhält. Man hat offensichtlich viel Wert darauf gelegt die Stromquellen möglichst gut voneinander zu isolieren. Im Kontrast dazu ist die Steuerung der Stromquellen Q16/Q17 relativ einfach gestaltet. Die Referenzspannung, auf der die Ströme basieren, erzeugen die zwei Basis-Emitter-Strecken der Transistoren Q18 und Q19. Deren Arbeitsstrom wird lediglich über den Widerstand R11 eingestellt. In Bezug auf hochfrequente Störungen in der Versorgung wirkt der Kondensator C4 stabilisierend. Er befindet sich auf den Widerstandsschleifen und ist somit genau genommen über den Widerstand verteilt. Unkompensiert bleibt der nicht unerhebliche Einfluss der Temperatur auf den Spannungsabfall über die Transistoren Q18/Q19 und damit auf die Arbeitsströme.
Der MUSES02 enthält einige variable und optionale Elemente. Über die drei Elemente des Widerstands R1 lässt sich der Arbeitsstrom des Differenzverstärkers einstellen. Auch die Kapazität C1 kann über die Metalllage angepasst werden. Sie begrenzt den Frequenzgang des Differenzverstärkers. Ebenso kann man über die Metallfläche der Kapazitäten C2 und C3 den Frequenzgang des Operationsverstärkers beeinflussen. Parallel zu R8 liegt ein zweiter, ungenutzter Widerstand. Beide Streifen bieten mittig eine Verbreiterung, die als Kontaktbereich genutzt werden könnte. Darüber kann man Ruhestrom der Endstufe variieren. Rechts des Transistors Q13 befinden sich zwei ungenutzte Transistoren. Vielleicht waren diese Transistoren dazu gedacht die Ruhestromeinstellung anders aufzubauen. Auch die Referenzströme der Stromquellen lassen sich umfangreich einstellen. Der Widerstand R11 besitzt zwei optionale Kontakte. Oberhalb des Transistors Q18 befindet sich ein weiterer Transistor, mit dem man die Referenzspannung um eine weitere Basis-Emitter-Strecke erhöhen könnte. Nicht gleich zu erkennen sind die verlängerten Kontakte an den Widerständen R9 und R10. Damit kann man die Ströme im Differenzverstärker und in der Spannungsverstärkungsstufe ebenfalls etwas variieren.
Das Substrat des MUSES02 ist p dotiert. Es ist entsprechend mit dem negativen Versorgungspotential verbunden (schwarz). Die zwei länglichen Kontakte hat man bewusst neben der Endstufe und neben dem Spannungsverstärker platziert. Die Transistoren und Widerstände befinden sich in n dotierten Wannen und sind so gegeneinander isoliert. Der differentielle Teil des Differenzverstärkers besitzt einen zusätzlichen, bereiteren Rahmen (gelb). Dort hat man offenbar eine zusätzliche p-Dotierung eingebracht. Ein ähnlicher Rahmen findet sich im Bereich der Arbeitsstromeinstellung. Dort ist der Rahmen zusätzlich mit dem weniger belasteten, negativen Versorgungspotential verbunden (blau). Warum man den Rahmen des Differenzverstärkers nicht auch so angebunden hat bleibt unklar. Einen ausgleichenden Effekt auf das lokale Substratpotential hat der Rahmen trotzdem.
