Richi´s Lab

PMI REF01 Generation 4 (W)

PMI REF01 1989

Diese REF01-Referenzspannungsquelle wurde 1989 produziert. Sie ist als H-Sortierung etwas genauer als die Bauteile der Generation 1 und der Generation 2.

 

PMI REF01 1989 Die

PMI REF01 1989 Die

Am linken Rand des Dies sind hier sieben Ätzmarker und sieben Maskenmarkierungen abgebildet. Die daneben liegende Zeichenfolge DRM, könnten das Namenskürzel eines Entwicklers sein. In der linken unteren Ecke befindet sich das PMI-Logo und nun wieder die Zeichenfolge 6A1 wie bei der Generation 1.

Der Maskensatz dieser REF01 stammt aus dem Jahr 1987 und ist damit zehn Jahre neuer als das Design der Generation 2. In der rechten unteren Ecke des Dies befindet sich die Zeichenfolge 1800W. Das W weist daraufhin, dass zwischen der Generation 2, die mit Y bezeichnet wurde, und der hier vorliegenden Generation 4 eine dritte Generation existierte, die Revision X. Da das Bauteil der Generation 2 aus dem Jahr 1986 stammt, bleibt mehr oder weniger nur ein Jahr als möglicher Einsatzzeitraum der Revision X. Vielleicht handelte es sich um eine Revision, die gänzlich verworfen werden musste und nie verkauft wurde.

 

Datenblattausschnitt Die

PMI REF01 1989 Die Vergleich Datenblatt

Im Datenblatt von 1989 findet sich eine neuere Abbildung des Dies. Es wurde im Vergleich zur Generation 2 etwas vergrößert und zeigt vermutlich die Revision X. Eine Überlagerung der Abbildung fördert die wenigen, kleinen Unterschiede zu Tage. Abgesehen von minimalsten Änderungen bei den Leitungsführungen ist die Metalllage in der rechten Hälfte mittig anders ausgeführt. Dort ist in der vorliegenden Generation 4 die Metalllage breiter und überdeckt zwei aktive Elemente.

 

PMI REF01 1989 Die Detail ungenutzte Transistoren

Bei den zwei Elementen handelt es sich um zwei Transistoren, die sich unter der Metalllage befinden, die das Ausgangspotential weiterleitet. In der Abbildung des Dies aus dem Datenblatt von 1989 sind diese beiden Transistoren noch nicht von der Metalllage bedeckt, es sind aber auch nur Metallkontakte und keine weiterführenden Verbindungen zu erkennen. Es scheint als hätte man hier eine Funktion vorgehalten, die dann doch nicht benötigt wurde.

 

Datenblattausschnitt

Das Datenblatt enthält einen recht ausführlichen Schaltplan.

Rechts sind alle Anschlüsse der Referenzspannungsquelle dargestellt. Zwischen Input und Ground liegt die Versorgungsspannung an.
Der Darlington-Transistor Q18/Q16 arbeitet als Linearregler, der die gewünschte Ausgangsspannung einstellt. Die Diode Q19 schützt die Basis-Emitter-Strecken vor negativen Spannungen.
Der Widerstand R15 und der Transistor Q15 stellen eine Strombegrenzung dar. Fließt zu viel Strom zum Ausgang, so fällt an R15 eine Spannung ab, die ausreicht um Q15 aufzusteuern. Durch Q15 fließt dann der Strom, der eigentlich den Ausgangstransistor aussteuern soll, wodurch dessen Stromfluss reduziert wird.

Die Widerstände R12 und R11 bilden einen Widerstandsteiler, der das Ausgangssignal in die Schaltung zurück koppelt. Laut Datenblatt stellen sich dort ungefähr 1,23V ein, wenn am Ausgang die gewünschte Spannung anliegt.
Der Pin 5 ermöglicht es von außen den Widerstandsteiler zu beeinflussen und so die Ausgangsspannung um ungefähr +/-3% zu justieren.

Die Grundlage der Referenzspannung stellt die Schaltung um die Transistoren Q1 und Q2 dar. Es handelt sich dabei um eine sogenannte Bandgap-Referenz. Versorgt wird sie über das gepufferte Ausgangspotential. Der Spannungsteiler am Ausgang liefert eine Rückkopplung. Wählt man die Größen und damit die Eigenschaften der Transistoren Q1 und Q2 sinnvoll, so erzeugen sie in Kobination mit dem Widerstand R1 eine Spannung, die nur noch vom Verhältnis der Kollektorströme und der Temperatur abhängig ist. Die Kollektorströme lassen sich relativ einfach gleich einstellen.
Um den negativen Temperaturkoeffzienten der zu kompensieren, befindet sich unterhalb der Schaltung der gemeinsame Emitterwiederstand R2. Richtig ausgelegt bringt dieser Widerstand einen positiven Temperaturkoeffizienten ein, der ganzheitlich zu einem verschwindenden Temperaturkoeffizienten führt.
Die Weiterleitung der Referenzspannung verläuft differentiell.

Es folgen die Eingangstransistoren eines Differenzverstärkers (Q4 und Q5).
Die zugehörige Stromquelle besteht aus dem Transistor Q20 und dem Widerstand R10. Als konstante Spannung dient wiederum das herunter geteilte Ausgangspotential.
Die Transistoren Q5 und Q6 realisieren eine Art Kaskodenschaltung und isolieren die Transistoren Q4 und Q5 vom Ausgang des Differenzverstärkers. Sie arbeiten mit dem gepufferten Ausgangspotential.
An den Kollektoren des Differenzverstärkers befindet sich ein Stromspiegel bestehend aus den Transistoren Q7 und Q8. Der Transistor Q9 kompensiert die minimale Unsymmetrie des Stromspiegels durch die Basis-Kollektor-Verbindung des Transistors Q7.
Der Kondensator C1 bildet eine lokale, negative Rückkopplung und definiert so die Grenzfrequenz des Differenzverstärkers. Die Rückkopplung reduziert die Gefahr von hochfrequenten Schwingungen.

Auf den Differenzverstärker folgt der Transistor Q10, der den Treiber des Darlingtontransistors am Ausgang bildet. Die Dioden Q11 und Q12 heben das Potential am Ausgang des Treibers auf ein Potential, das ähnlich dem Potential an der Basis des Darlingtontransistors ist. Der Differenzverstärker arbeitet stromgesteuert, der Ausgang stellt eine Stromquelle dar. Auch der Treiber arbeitet als Stromquelle. Sind die Potentiale angeglichen, so werden unnötige Umladevorgänge vermieden.
Der Gesamtverbund aus den Transistoren Q10, Q13, Q14 und Q17 arbeitet folgendermaßen: Der Transistor Q17 generiert aus dem Ausgangspotential eine gepufferte Versorgungsspannung. Diese Versorgungsspannung liefert auch das Bezugspotential für den Treibers Q10. Über den beiden Transistoren befindet sich ein Stromspiegel bestehend aus den Transistoren Q13 und Q14. Das führt dazu, dass unabhängig von der Ansteuerung des Darlington-Transistors der komplette Chip immer den gleichen Strom aufnimmt. Entweder sah man die konstante Stromaufnahme als erstrebenswert an, um Störungen durch Schwankungen der Versorgungsspannung auszuschließen oder die Verschaltung kompensiert eine nicht auf den ersten Blick erkennbare Schwäche der restlichen Schaltungen.
Die Versorgung verschiedener Schaltungsteile aus dem Ausgangspotential hat den Nachteil, dass die Schaltung nicht ohne weiteres anlaufen kann. Dafür wurde der Transistor Q21 integriert. Liegt am Ausgang keine Spannung an, so ist dieser Feldeffekttransistor leitend und speist einen Strom in die Basis des Transistors Q17 ein, wodurch wiederum dieser leitend wird und die interne Versorgung bereit stellt. Liegt am Ausgang eine Spannung an, so ist die Gate-Source-Spannung des Transistors Q21 negativ, woraufhin er sperrt und sich passiv verhält.

 

PMI REF01 1989 Die Analyse

Mit vertretbarem Aufwand lassen sich die einzelnen Teile der Schaltung auf den Chip projizieren. Dabei fallen mehrere Dinge auf:
 In der linken, unteren Ecke befindet sich ein Bondpad, das nicht genutzt wird, hier schwarz markiert. Es ist zwischen den Widerständen R1 und R2 angebunden. Das Datenblatt beschreibt, dass die 5V-Variante der Spannungsreferenz an dieser Stelle einen sogenannten Temp-Ausgang besitzt, über den optional eine präzise Temperaturmessung möglich ist. Warum dieser Ausgang nur bei der 5V-Variante integriert wurde lässt sich nicht klären.

 

PMI REF01 1989 Die Fuses

An der unteren und an der rechten Kante des Dies sind Kontaktierungspads platziert. Direkt neben den Pads befinden sich sogenannte Fuses, dünne, leitfähige Strukturen, die sich durch einen erhöhten Stromfluss zerstören und damit unterbrechen lassen. Die Strukturen befinden sich in Serie zu zusätzlichen Widerständen, die anderen Widerständen parallel geschaltet sind. Während der Produktion können über das Abschalten der zusätzlichen Widerstände die Widerstandswerte und damit die Eigenschaften der Schaltung justiert werden.

Die Pads an der unteren Kante ermöglichen einen Abgleich der Widerstände R1 und R2. Die Pads an der rechten Kante ermöglichen einen Abgleich des Widerstandsteilers R11/R12 am Ausgang. Der Abgleich des Widerstandsteilers am Ausgang ermöglicht die Justage der gewünschten Ausgangsspannung. Der Abgleich der Widerstände R1 und R2 ermöglicht dagegen eine Anpassung des Temperaturdrifts.

 

PMI REF01 1989 Die Detail Widerstandsteiler Fuses

Der Widerstand R12 des Spannungsteilers am Ausgang ist umfangreich aufgeteilt. Drei zusätzliche Widerstände verknüpft mit drei Fuses und Kontaktierungspads ermöglichen den Abgleich.

Im Vergleich zu den Generationen 1 und 2 hat sich der Abgleichbereich geändert. Die Widerstände bestehen dort aus weniger Elementen und weniger Einstellmöglichkeiten. Für den Abgleich des Temperaturdrifts existieren auf dem vorliegenden Die vier statt drei auftrennbare Widerstände. Die Ausgangsspannung lässt sich mit drei statt zwei Optionen einstellen.

 

PMI REF01 1989 Die Konstantstromquelle

Der Transistor Q1, der den Referenzstrom erzeugt, ist aus vier einzelnen Transistoren aufgebaut, die den Transistor Q2 umringen, der die Temperaturkompensation realisiert. Der Transistor Q1 muss flächenmäßig größer sein, um die Temperaturkompensation überhaupt realisieren zu können. Die Nähe der beiden Transistoren sorgt dafür, dass sie den gleichen Temperaturschwankungen unterworfen sind.

Interessant ist die Anbindung der vier Emitter des Transistors Q1 an den Widerstand R1. Die Verbindung erfolgt nicht auf dem kürzesten Weg, sondern möglichst symmetrisch von oben, seitlich an den Transistoren vorbei nach unten.
Sogar einige Schleifen wurden in die Leitung integriert. Deren Nutzen erschließt sich allerdings nicht. Eine Widerstandsanpassung scheint an dieser Stelle ebenso wenig notwendig wie eine minimale Induktivität.

Im Vergleich zu den Generationen 1 und 2 hat sich die Referenzstromquelle minimal geändert. Es scheint sich aber nicht um funktionale Änderungen zu handeln. Während die älteren Dies runde Strukturen enthalten, wurden die Rundungen hier mit Vielecken angenähert.

 

PMI REF01 1989 Die Kondensator

Zwischen dem Kollektor des Transistors Q2 und dem Massepotential ist eine Kapazität angebunden, hier als Cx bezeichnet, die sich im Schaltplan und in den Generationen 1 und 2 der REF01 nicht findet. Funktional dürfte es sich um eine Stabilisierung der Basisreferenzspannung handeln.

Der Aufbau der zwei Kapazitäten ist nicht ganz offensichtlich. Die eine Elektrode des hier vorliegenden Kondensators ist über das Substrat mit dem Massepotential verbunden. Die Metalllage stellt die andere Elektrode dar. Im Gegensatz zu den Generationen 1 und 2 wurde die Kapazität variabel gehalten, indem man die untere Fläche relativ groß gewählt hat und die Größe der Metallelektrode einstellt wie man sie benötigt. Hier reichte die Hälfte des möglichen Bereichs aus. Bei dem dunklen Material könnte es sich um einen speziellen Teilprozess der Fertigung handeln, in dem nur eine dünne Oxidschicht aufgebracht wird, die sich entsprechend gut als Dielektrikum eignet.

 

PMI REF01 1989 Die Transistor

Die Transistoren Q5 und Q10 sind in einem gemeinsamen aktiven Bereich integriert. Der aktive Bereich scheint über zusätzliche Rahmenstrukturen eigens abgeschirmt zu sein.  Es handelt sich um den Ausgangstransistor des Differenzverstärkers und den Treibertransistor des Endstufentransistors. Vermutlich sorgt die spezielle Anordnung dafür, dass sich unerwünschte Eigenschaften wie zum Beispiel die Temperaturdrifts kompensieren.

 

PMI REF01 1989 Die Analyse Detail

Anstatt der zwei Dioden Q11 und Q12 findet sich bei allen REF01-Generationen nur eine Diode.

Auf dem Die der Generation 4 fehlt außerdem der Feldeffekttransistor Q21, der das Aufstarten der Schaltung ermöglicht. Statt dessen wurde der Transistor Qx integriert. Hier scheint es sich um einen klassischen Bipolartransistor zu handeln. Die Verschaltung lässt vermuten, dass der Transistor Qx einen direkten Stromfluss in das Versorgungspotential ermöglicht. Die Anbindung der Basis an den Transistor R13 sorgt dafür, dass der zusätzliche Stromfluss unterbunden wird, sobald der eigentliche Versorgungsregler arbeitet.
Mit dieser Verschaltung muss zwar immer noch eine Ausgangsspannung vorhanden sein, damit die gesamte Schaltung anlaufen kann, vermutlich reicht der initiale Zustand mit der direkten Stromweiterleitung aber aus um ein Aufstarten zu ermöglichen.

 

PMI REF01 1986 Die Detail Ausgangstreiber

In der Generation 2 ist ebenfalls der Bipolartransistor Qx vorhanden. Er ist allerdings nicht direkt an das Ausgangspotential angebunden, sondern an eine Struktur, die einen Feldeffekttransistor darstellen könnte. Den Gate-Anschluss könnte das Substrat bilden, das auf Massepotential liegt. Auf der einen Seite des Transistors ist der Ausgang angebunden, auf der anderen Seite befindet sich der Bipolartransistor Qx. Solange kein Ausgangspotential anliegt kann so Strom zum Ausgang abfließen und die Schaltung anlaufen. Danach sperrt der Feldeffekttransistor. Am Kontakt zum Bipolartransistor ist der Feldeffekttransistor zusätzlich sehr weit oben am Ausgangsspannungsteiler angebunden. Vermutlich wird so der Arbeitspunkt stabilisiert. Ist die Schaltung angelaufen, dann sorgt bereits der Bipolartransistor dafür, dass der Anlaufstrom abgeschaltet wird. Vielleicht realisierte der Feldeffekttransistor zusätzlich eine gewisse Strombegrenzung.

Der Entfall des Feldeffekttransistors zur Generation 4 könnte auch der Grund für die zwei ungenutzten Transistoren sein. Nachdem der Feldeffekttransistor entfernt wurde war man sich vielleicht nicht sicher, ob man nicht noch zusätzliche Elemente in der Anlaufschaltung benötigen würde. Die Integration von zwei zusätzlichen Transistoren im relevanten Bereich ermöglicht eine nachträgliche Modifikation der Schaltung ohne allzu viel Aufwand betreiben zu müssen. Hat man sich eine Rückfalllösung zurecht gelegt, so reicht eine relativ günstige Änderung der Metalllage aus, um die nicht genutzten Transistoren entsprechen einzubinden.

 

PMI REF01 1989 Die Detail Ausgangstreiber

Der Darlingtontransistor des Ausgangs ist hier rechts unten zu sehen. Das große Element ist der eigentliche Endstufentransistor, das kleinere Element darüber ist der zweite Transistor der Darlingtonkombination. Der Kollektoranschluss ist großflächig in der linken, oberen Ecke der Ausgangsendstufe zu erkennen. Direkt unter dem Bondpad ist die Schutzdiode des Darlingtontransistors integriert.

Links neben dem Darlingtontransistor befindet sich eine interessante Kombination, die sowohl den Transistor Q15 als auch den Widerstand R15 darstellt. Der Widerstand ist als Teil der Basisfläche ausgeführt. Da der Strombegrenzungswiderstand einen niedrigen Wert haben muss, reicht diese kurze, breite Fläche des dotierten Bereichs aus.

 

 

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