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Analog Devices AD1403

AD1403

Der AD1403 stellt eine günstige 2,5V-Referenzspannungsquelle dar, die auf einer Bandgap-Zelle basiert. Für die bessere Sortierung AD1403A bewirbt das Datenblatt eine Genauigkeit von +/-10mV. Der Temperaturdrift liegt typischerweise bei 10mV/K, maximal bei 25mV/K. Der AD1403 benötigt eine Versorgungsspannung von mindestens 4,5V. Bis zu 40V sind zulässig. Am Referenzspannungsausgang können bis zu 10mA entnommen werden.

 

AD1403 Schaltbild

Das Prinzipschaltbild im Datenblatt zeigt eine klassische Bandgap-Referenz, in der ein Operationsverstärker den Basisstrom durch die Transistoren Q1/Q2 so einstellt, dass sich gleiche Kollektorströme ergeben. Durch die unterschiedlichen Flächen der Transistoren und die Auslegung der Emitterwiderstände kompensieren sich die negativen und die positiven Temperaturkoeffizienten der Transistoren und es stellt sich an der Basis des Transistors Q1 eine sehr konstante Spannung ein. Der Spannungsteiler am Ausgang definiert die Ausgangsspannung des Bausteins. Eine recht ausführliche Beschreibung einer solchen Referenzspannungsquelle findet sich im Rahmen des TL7705.

 

Patent US3887863A

Das Datenblatt des AD1403 verweist auf das Patent US3887863A, das den exakten Aufbau der Referenzspannungsquelle darstellt und erklärt. Die Schaltung ist nicht allzu umfangreich, enthält aber einige komplexe Zusammenhänge.

Die türkis markierten Bereiche stellen die Arbeitspunkteinstellung des AD1403 dar. Grundlage ist die Ausgangsspannung, die über Q5/R29/R28 in einen Referenzstrom gewandelt wird. Der in den Transistor Q5 integrierte J-FET ermöglicht das Anlaufen der Schaltung, wenn am Ausgang noch keine Spannung anliegt. Der Referenzstrom wird schließlich über den Stromspiegel Q17/Q16 den Transistoren Q3 und Q4 zugeführt. Der Transistor Q4 versorgt die Bandgap-Zelle und dient als Treiber für den Ausgangstransistor Q7.

Der Bereich, in dem die grundlegende Bandgap-Referenzspannung erzeugt wird, ist grün hinterlegt. Die Bandgap-Referenzspannung liegt zwischen der Basis des Transistors Q1 und dem Massepotential an. Die Transistoren Q2 und Q1 weisen ein Flächenverhältnis von 8:1 auf. Wie im Rahmen des TL7705 beschrieben, kann man auf dieser Grundlage die Widerstände R22 und R21 so einstellen, dass die Referenzspannung nur noch einen sehr niedrigen Temperaturkoeffizienten aufweist. Der Widerstande R23 ist notwendig, da über den Spannungsteiler R31/R24 aus der Bandgap-Referenzspannung die gewünschte Ausgangsspannung von 2,5V erzeugt wird. Wie im Rahmen des TL7705 beschrieben, wirkt sich der Widerstand R31 negativ auf die Stabilität der Schaltung aus. Dieser Effekt lässt sich mit Hilfe eines zusätzlichen Widerstands zwischen den Transistoren Q2 und Q1 kompensieren.

Der zur Bandgap-Referenz gehörende Stromspiegel, der für gleiche Ströme in den beiden Pfaden sorgt, ist violett hinterlegt. Die Transistoren Q13/Q14 stellen den eigentlichen Stromspiegel dar. Der Transistor Q11 kompensiert den Basisstrom des Stromspiegels, der zu Unsymmetrien in den Zweigen führen würde.

Der gelb/rote Regelkreis sorgt dafür, dass durch die Transistoren Q2/Q1 tatsächlich gleich große Ströme fließen. Abweichungen von diesem idealen Arbeitspunkt beeinflussen den Stromfluss durch die Transistoren Q12/Q15/Q3, wodurch die Aussteuerung der Transistoren Q4/Q7 variiert wird. Die Aussteuerung des Transistors Q7 stellt dann das Basispotential der Bandgap-Zelle so ein, dass sich in den Transistoren Q2/Q1 die gewünschte symmetrische Stromverteilung ergibt. In diesem Arbeitspunkt weist die Bandgap-Referenzspannung den geringsten Temperaturdrift auf. Über den Spannungsteiler R31/R24 ergibt sich parallel die gewünschte Ausgangsspannung.

Die türkise Arbeitspunkteinstellung und die blau umrandeten Bereiche erfüllen einen weiteren Zweck. Über die Verschaltung dieser Komponenten wird sichergestellt, dass die Potentiale an den Kollektoren der Transistoren Q2/Q1 möglichst konstant bleiben, was wiederum für ein stabiles Verhalten der Transistoren sorgt.
Das Verhältnis der Widerstände R31/R24 zu den Widerständen R29/R28 und die absoluten Werte von R29/R28 sind so eingestellt, dass sich der Transistor Q5 genauso verhält wie der Transistor Q1. In den Kollektor von Q5 fließt somit der gleiche Strom wie im Kollektor von Q1 (und damit auch im Kollektor von Q2). Der Stromfluss in den Transistor Q5 wird über den Stromspiegel zu den Transistoren Q3 und Q4 übertragen. Der Basisstrom durch Q4 ist kaum relevant. Der gelbe Pfad Q3/R27/Q15/Q12 entspricht im Großen und Ganzen der Hälfte des rot/blau/violetten Pfads Q4/UP/R25/R26/Q13/Q14/Q11. Um diese Symmetrie darstellen zu können, ist der Transistor Q4, der die beiden Bandgap-Pfade speist, doppelt so groß ausgeführt wie der Transistor Q3. Über die Transistoren Q12 und Q11 stellt sich letztlich das gewünschte, konstante Potential an den Kollektoren der Transistoren Q2/Q1 ein.

 

AD1403 Die

Die Abmessungen des Dies betragen 1,5mm x 0,9mm. Die Strukturen sind noch recht übersichtlich.

Neben den drei Bondpads bietet das Die vier Testpads. Auffällig ist, dass an der unteren Kante ein scheinbar redundantes Testpad integriert wurde. Dasselbe Potential ist auch am Bondpad in der linken unteren Ecke erreichbar. Für einen vollumfänglichen Abgleich müssen die Bondpads sowieso kontaktiert werden, da erscheint das zusätzliche Testpad unnötig. Ein Testpad ist an das Basispotential des Transistors Q1 angeschlossen. Darüber kann während eines Abgleichs das Verhalten der Bandgap-Referenz überwacht werden.

 

AD1403 Die Laser trimming

Zwei Testpads sind lediglich mit einem orangen Quadrat verbunden, wie man es oft bei Bauteilen findet, die abgleichbare Widerstände enthalten. Deutliche Spuren eines Abgleichprozesses sind weder auf dem Quadrat noch auf den restlichen orangen Widerständen sichtbar. An der linken Kante des Quadrats meint man einen minimal helleren Bereich erkennen zu können. Das könnte aber ein optisches Artefakt oder eine Störung in den Schichtdicken sein. Eine Referenzspannungsquelle wie der AD1403 benötigt eigentlich immer einen Abgleich. Man muss daher davon ausgehen, dass sich die Spuren des Abgleichvorgangs optisch nicht absetzen.

 

AD1403 Die Teststrukturen

An der rechten Kante des Dies befinden sich zwei Teststrukturen. Das obere Element ist ein Pinch-Widerstand, dessen Widerstandswert durch die Überlagerung mit einer inversen Dotierung erhöht wurde. Das untere Element ist ein npn-Transistor. Der unterste Metallstreifen kontaktiert den bräunlichen Kollektorbereich. Über die darin abgebildeten Konturen kann man die tiefer liegende, stark n-dotierte Kollektorzuleitung erkennen. Die rote Fläche ist p-dotiert und bildet die Basisfläche ab, die vom oberen der drei Metallstreifen kontaktiert wird. In der roten Fläche ist ein n-dotierter Kreis eingebracht, der den Emitter darstellt.

Die einzelnen Elemente der Schaltung sind von speziellen Isolationsbereichen umgeben. Die Flächen, die man elektrisch voneinander trennen will, werden üblicherweise mit stark p-dotierten Gräben abgegrenzt. Eine schematische Darstellung dieses Aufbaus findet sich im Rahmen der IK72-Analyse. In diesem Bild ist der Isolationsgraben an der rechten und der unteren Kante als schmaler Rahmen mit dunklen Kanten zu erkennen. Beim AD1403 wurde darauf zusätzlich eine breitere, rote Fläche aufgebracht. Es handelt sich dabei um das Basismaterial. Ein solcher Aufbau ist auch beim Ausgangstransistor des LM306 zu sehen. Das Basismaterial bietet eine schwächere p-Dotierung als die Isolationsgräben, was zu einer höheren Durchbruchspannung der sich ausbildenden Sperrschicht führt. Die Dotierung der Isolationsgräben selbst muss sehr hoch eingestellt werden, damit sie über das ganze Die möglichst niederohmig an das Bezugspotential angebunden sind. Örtliche Potentialanhebungen würden zu problematischen Leckströmen führen. Der Grund für die Verstärkung der Isolationsgräben ist wahrscheinlich die maximal zulässige Versorgungsspannung von 40V.

 

AD1403 Die Analyse

Die einzelnen Elemente des AD1403 sind gut erkennbar. Die genaue Funktion erschließt sich aber nicht immer auf den ersten Blick.

 

AD1403 Die Bandgap

Relativ mittig ist deutlich die typische Transistoranordnung einer Bandgap-Referenzspannungsquelle zu sehen. Dort umgibt der große, auf zwei Bereiche aufgeteilte Transistor Q2 den kleineren Transistor Q1. Das Verhältnis der Emitterflächen beträgt, wie im Schaltplan dargestellt, 8:1.

In den bräunlichen Flächen erfolgt die Kontaktierung der Kollektorpotentiale der Bandgap-Zelle. In den roten, p-dotierten Flächen befinden sich die pnp-Transistoren Q11 und Q12. Die rote npn-Basisfläche bildet bei den pnp-Transistoren den Kollektor, der darüber mit dem umgebenden Massepotential verbunden ist. In der Mitte der kreisförmigen Struktur befindet sich ein kleiner p-dotierter Emitter. Der darum angeordnete Ring besteht aus der darunter liegenden npn-Kollektorfläche, die beim pnp-Transistor als Basisbereich agiert.

Im oberen Teil des Transistors Q2 ist ein grüner Widerstand integriert. Es handelt sich dabei um den Widerstand R23. Die Metalllage schließt einen Teil des grünen Streifens kurz. Es ist gut denkbar, dass es sich hier um einen Vorhalt für eine Variante mit einer anderen Ausgangsspannung handelt. Ändert man in diesem Zusammenhang den Ausgangsspannungsteiler R31/R24, so kann man gleichzeitig den Widerstand R23 anpassen.

Die Widerstände R21/R22 im rechten Bereich sind mit großen, orangen Widerstandsflächen aufgebaut, die es ermöglichen den Temperaturkoeffizienten auf ein Minimum abzugleichen. Auch der Ausgangsspannungsteiler R31/R24 (hier links im Bild) ist aus mit den orangen Widerstandsflächen aufgebaut. In diesen Bereichen erfolgt der Abgleich der Ausgangsspannung. Wie bereits angemerkt, sind auf den Flächen keine Spuren eines Abgleichs zu erkennen.

 

AD1403 Die Detail

Der Kondensator C36 ist nicht sofort zu erkennen, was bei einer sehr großen Kapazität von 100pF durchaus überrascht. Auf den zweiten Blick zeigt sich, dass der Kondensator durch die tiefer liegende, stark n-dotierte Kollektorzuleitung des Transistors Q1 ausgebildet wird. Diese Sicht wurde über den Bereich der abgleichbaren Widerstände weit in den linke Bereich verlängert. Da der Kondensator mit Massebezug arbeitet, konnte das Substrat als zweite Elektrode genutzt werden.

 

AD1403 Die overcurrent

Die Ausgangsstrombegrenzung Q6/R30 ist stark integriert. Der rote, verlängerte Basisbereich dient als Shunt, wobei die Stromzuleitung näher zum oben liegenden Emitterbereich geführt ist. Ab einem gewissen Spannungsfall über den verlängerten Basisbereich stellt sich an der Emitterfläche eine Basis-Emitter-Spannung ein, die den Transistor durchsteuert. Durch die gemeinsame Kollektorfläche mit dem Transistor Q3 kann der Transistor Q6 den Steuerstrom der Endstufe ableiten.

 

AD1403 Die Laser trimming

Auf den Widerständen R29/R28 befinden sich Spuren, die gut zu einem Abgleichprozess passen würden. Eigenartig ist, dass diese Widerstände nicht aus dem orangen Material bestehen. Außerdem ist es unüblich, derart schmale Formen abzugleichen. Nichtsdestotrotz scheint es sich nicht um Verschmutzungen oder durch das Freilegen verursachte Schäden zu handeln. Man meint sogar zwei horizontale Schnitte erkennen zu können. Wie bereits beschrieben, soll der über diese Widerstände generierte Stromwert einigermaßen den Strömen in der Bandgap-Zelle entsprechen. Ein besonders exakter Abgleich war aber wahrscheinlich nicht notwendig.

 

AD1403 Die Detail

Der kombinierte Transistor Q5 ist ebenfalls einen genaueren Blick wert. Die Bipolar-Transistoren Q16, Q17 und Q5a befinden sich in einer gemeinsamen Kollektorfläche. Diese Kollektorfläche ist an der rechten Kante zu einem langen Streifen verlängert. Durch die Überlagerung mit dem invers dotierten, roten Material bildet sich dort der JFET-Anteil Q5b aus.

 

AD1403 Die Detail

Unterhalb des Bondpads, das das Referenzpotential führt, befindet sich eine Struktur, die vermutlich problematische Spannungen ableiten kann.

 

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