Die ADR1399 ist der Nachfolger der LM399. Sie liefert eine etwas höhere Ausgangsspannung von typischerweise 7,05V. Das Datenblatt gibt einen Spannungsbereich von 6,75V bis 7,30V an. Sehr stabile Spannungsreferenzen bieten meistens keine exakt definierte Ausgangsspannung, der sich einstellende Wert wird allerdings sehr stabil gehalten. Schaltungen mit derartigen Referenzen müssen daher zwangsweise initial abgeglichen werden.
Im Vergleich zur LM399 rauscht die ADR1399 mit 1,84µVrms (typ) noch etwas weniger und der Langzeitdrift ist mit 7ppm (typ) minimal niedriger. Besonders herausgehoben wird die niedrigere Ausgangsimpedanz von 0,04Ω(typ) / 0,08Ω(max). Die LM399 bot hier nur 0,5Ω(typ) / 1,5Ω(max). Die Referenzspannung ist so zwar belastbarer, gleichzeitig steigt aber die Gefahr von Oszillationen bei zu starker kapazitiver Belastung.
Die Aufheizzeit wurde von 2s auf 0,1s reduziert (+/-0,05%). Das ist verwunderlich, da der Heizer nicht mehr Strom aufnimmt. Tatsächlich hat man nur den Temperaturregler aggressiver ausgelegt. Während sich die LM399 nach dem Einschalten monoton auf ihre Sollspannung zubewegt, zeigt das Datenblatt der ADR1399 einen deutlichen Überschwinger. Nach fünf Sekunden garantiert das Datenblatt +/-10ppm.
Die Referenzspannungsquelle besitzt das von der LM399 bekannte, doppelwandige Kunststoffgehäuse.
Das Datenblatt der ADR1399 verrät nichts über den internen Aufbau. Lediglich ein sehr einfaches Blockschaltbild ist dort abgebildet.
Der Aufbau im Gehäuse gleicht grundsätzlich der LM399, allerdings ist hier der Shuntregler über zweimal zwei Bonddrähte mit den Anschlusspins verbunden.
Das Die weist eine große Ähnlichkeit zur LM399 auf. Gleichzeitig sind aber auch einige Unterschiede zu erkennen. Es scheint so, als ob man versucht hat möglichst wenige Bauteile zu verändern und trotzdem neue Eigenschaften zu integrieren.
Im unteren Bereich ist die Zahlenfolge 399 in der Metalllage abgebildet. Seitlich findet sich das Copyright von Analog Devices mit der Jahreszahl 2019.
Bei der ADR1399 kamen wie bei der LM399 sieben Masken zum Einsatz. In der ADR1399 sind die Revisionen an der unteren Kante abgebildet.
Wie im Rahmen der LM399 bereits festgestellt wurde, bildet der Schaltplan der MAC199 die Schaltung der LM399 relativ gut ab.
Viele Bauteile und Schaltungsteile der LM399 finden sich auch auf dem Die der ADR1399. Manche Bauteile wurden allerdings anders verwendet und es kamen auch Bauteile dazu (rot).
Das Die der ADR1399 bietet die Möglichkeit einer Vierleiter-Kontaktierung. Der Leistungsteil des Shuntreglers besitzt eigene Bondpads (V+ F und V- F), so dass der Laststrom die eigentliche Referenzspannungsquelle und den Regler nicht negativ beeinflusst (V+ S und V- S). Das erklärt auch die zweimal zwei Bonddrähte, die zu den Pins 1 und 2 führen. Die Maßnahme war wahrscheinlich notwendig, um den niedrigeren Innenwiderstand im Vergleich zur LM399 erreichen zu können.
Die Z-Diode D4 besitzt einen zusätzlichen Kontakt, der es ermöglicht abseits des über R10 fließenden Arbeitsstroms ein unbelastetes Referenzpotential zum Knoten R11/T18/T16 zu führen. Die Grundstruktur des Schaltungsblocks T13/T16/T15/T14 ist gleich aufgebaut wie in der LM399 allerdings fehlt die zusätzliche Stromsenke.
Der Transistor T18, der in der LM399 die zusätzliche Stromsenke darstellt, ist hier anders in die Schaltung eingebunden. Die Basis-Emitter-Strecke des Transistors scheint als Spannungsbegrenzung zu dienen, falls an den Anschlüssen der ADR1399 eine sehr hohe Spannung anliegt. Eine zu hohe Spannung über R10 könnte wahrscheinlich zu einem problematisch hohen Stromfluss durch Widerstand und Z-Diode führen. Interessant ist auch die Anbindung des Kollektors von T18 an die Versorgung von T14. Man könnte vermuten, dass T18 hier ebenso als Spannungsbegrenzung dient, die Kollektor-Basis-Sperrschicht bricht aber erst bei sehr hohen Spannungen durch. Wahrscheinlicher ist, dass sich das Kollektorpotential eher zufällig durch die Platzierung ergab. Der Widerstand R20 wurde wahrscheinlich ebenso nur deswegen im Kollektorpotential von T18 integriert, weil es aus Sicht des Layouts sinnvoll war.
Der Ausgangstreiber hat man mit dem Transistor T16 ergänzt. Die Transistoren T12/T16/T11 bilden eine Sziklai-Darlington-Kombination. Die höhere Stromverstärkung ist notwendig, um den niedrigeren Innenwiderstand darstellen zu können. Über den Widerstand R19 kann man den Arbeitspunkt des Shuntreglers einstellen. Der Transistor T10 stellt auch in der ADR1399 einen Überlastschutz dar. Er schützt allerdings nicht direkt den Widerstand R7, sondern sorgt als Z-Diode dafür, dass bei einem zu hohen Spannungsabfall über R18 und die Basis-Emitter-Strecke von T11 der Steuerstrom abgeleitet wird.
Die Z-Diode (buried zener) ist anders aufgebaut als in der LM399. Sie ist oval und erinnert an die Dioden in der LTFLU.
Im Betrieb zeigt sich die bekannte Leuchterscheinung, die sich ergibt, da die Z-Diode im Lawinendurchbruch arbeitet. Die dabei auftretenden schnellen Ladungsträger heben die Elektronen der Atome auf diverse Energieniveaus. Beim Zurückfallen emittieren sie entsprechend unterschiedliche Wellenlängen, auch im sichtbaren Spektrum. Die Leuchterscheinung tritt in der Mitte der Z-Diode auf, wo sich unter der Oberfläche der aktive Bereich befindet.
Mit steigendem Strom werden die leuchtenden Areale mehr und der Lichtstrom steigt (oben 1mA, unten 10mA). Es ist gut zu erkennen, dass es sich um einzelne, abgegrenzte Bereiche handelt, in denen Strom fließt. Denselben Effekt sieht man bei der LTZ1000. Der Leuchteffekt der ADR1000 erscheint dagegen etwas gleichmäßiger. Grundsätzlich ist bekannt, dass Z-Dioden in einzelnen Bereichen durchbrechen. Das ist ein Grund, warum der Rauschpegel einer Z-Diode steigt, wenn ihr Arbeitsstrom zu stark reduziert wird. Es brechen dann abwechselnd unterschiedliche, kleine Bereiche durch, was zu unregelmäßigen Sprüngen in der abfallenden Spannung führt.
Man kann davon ausgehen, dass die Z-Diode ähnlich aufgebaut ist, wie es die Application Note 82 von Linear Technology darstellt und im Rahmen der ADR1000 genauer beschrieben ist.
Die obere Schicht der Z-Diode ist rechts unten an das positive Versorgungspotential angebunden (rot). Es handelt sich um die n-Dotierung der Emitterflächen, die bis auf den seitlich herausgeführten Kontakt lila erscheint. Innerhalb dieses Bereichs ist eine kleinere ovale Struktur zu erkennen, die die starke p-Dotierung der Isolationsbereiche enthält. An der Grenzfläche zwischen der Emitterdotierung und der darunter liegenden Isolationsdotierung bildet sich die aktive Sperrschicht der Z-Diode, die sich damit unter der Oberfläche befindet. Das negative Versorgungspotential kontaktiert die Z-Diode ebenfalls seitlich (schwarz). Es handelt sich hier um die p-Dotierung der Basisbereiche. Die Stärke der Dotierung reicht für eine niederohmige Anbindung, ist aber zu niedrig, um am Kontakt mit der n-Dotierung den dominanten Durchbruchbereich darzustellen. Diese Sperrschicht würde sich sonst an der Oberfläche befinden.
Rechts der Z-Diode befindet sich ein zusätzlicher Kontakt des p-dotierten Bereichs, der es ermöglicht das negative Potential der Z-Diode unbelastet abzugreifen (türkis). Auffällig sind die zwei Ausläufer der mittleren n-Dotierung, die den Eindruck erwecken als würden sie den zusätzlichen Kontakt abschirmen.
Der Widerstand R10, der den Arbeitsstrom der Z-Diode definiert ist sehr viel breiter und kürzer als der Widerstand in der LM399. Nachdem es sich auch hier um das Basismaterial handelt, kann man davon ausgehen, dass der Widerstandswert sehr viel geringer ist. Das ist soweit logisch, da es in der ADR1399 keine zusätzliche Stromsenke für die Z-Diode gibt. Der Widerstand R10 lässt sich über einen breiten Bereich einstellen.
Der Transistor T16 (links) ist wie in der LM399 und in der MAC199 sehr speziell aufgebaut. In der ADR1399 findet sich nur ein Basiskontakt zwischen zwei großen Emitterflächen. Wie in der LM399 existiert auch hier zusätzlich eine große Emitterfläche, die über den Transistor T15 mit dem Kollektorpotential verbunden ist. Ebenfalls speziell aufgebaut ist der Transistor T13 (rechts). Auch dieser Transistor besitzt eine auffällig große Emitterfläche. Wie im Rahmen der LM399 beschrieben, kann über die Emitterflächen der Strom in der Regelschleife optimal eingestellt werden.
Auf diesem Bild ist außerdem zu erkennen, dass der Basiswiderstand des Transistors T13 über zwei Kontakte stark reduziert werden könnte (gelb).
Entfernt man die Passivierungsschicht und die Metalllage, so kann man noch einen etwas anderen Blick auf die Strukturen werfen.
Die Konturen des Transistors T16 bestätigen, dass es sich wirklich um drei Emitterbereiche handelt. Die drei Flächen scheinen die gleichen Höhen aufzuweisen und sich in derselben Ebene zu befinden.
Der Widerstand R18, der für die Strombegrenzung des Shuntreglers genutzt wird, lässt sich in einem gewissen Rahmen justieren.
Der Vollständigkeit halber hier noch einmal der Ausschnitt, der teilweise von den Bonddrähten verdeckt war.
Auch der Heizerschaltkreis im unteren Bereich des Dies basiert auf der Schaltung der LM399, die im Datenblatt der MAC199 noch etwas detaillierter dargestellt ist.
Die Referenzstromerzeugung mit ihrer Anlaufschaltung ist genauso aufgebaut wie in der LM399. Lediglich die Widerstandskette R6, R22, R23, R24, R25, R5 ist komplexer. Der als Temperaturfühler arbeitende Transistor T4 bietet in der ADR1399 einen zusätzlichen Basiskontakt, der aber nicht in die Schaltung eingebunden ist. Mit diesem zusätzlichen Basiskontakt und der Variabilität der Widerstandskette, vor allem des Widerstands R6 kann man die Solltemperatur des Heizers einstellen.
Die Heizerendstufe ist wie in der LM399 eine Darlington-Endstufe. Die Strombegrenzung stellt sich aber etwas komplexer dar. Die Ableitung des Steuerstroms erfolgt hier über den PNP-Transistor T3, der vom NPN-Transistor T19 ausgesteuert wird. Der Emitter von T19 führt zur Widerstandskette, an die auch der Transistor T4 angebunden ist. Es ist diese Verbindung, die dafür sorgt, dass der Regler die Solltemperatur schneller einstellt. Beim Einschalten einer kalten ADR1399 arbeitet der Heizer in der Strombegrenzung. T19 leitet, T3 führt Steuerstrom des Darlington-Transistors ab. Die Anbindung von T19 an die Widerstandskette sorgt dafür, dass auch T4 mehr Strom ableitet. Ab einer gewissen Temperatur leitet T4 so viel Steuerstrom ab, dass sich der Heizerstrom aus der Strombegrenzung heraus bewegt. T19 leitet daraufhin weniger Strom, was das Basispotential von T4 reduziert. Das führt dazu, dass T4 weniger Strom ableitet und so der Heizerstrom langsamer absinkt. Der Heizerstrom bleibt also nach der Strombegrenzungsphase länger auf einem hohen Niveau. Der Kondensator C6 und die RC-Kombination R26/C1/R27 sorgen für die notwendige Stabilität der Schaltung.
Das Die der ADR1399 besitzt im Gegensatz zur LM399 saubere Schnittkanten bis zur Unterseite.
