Die VRE305A ist eine von der amerikanischen Thaler Corporation entwickelte Referenzspannungsquelle, die mittlerweile von Apex vertrieben wird. Es existieren verschiedene Varianten mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen von 2,5V bis 10V, unterschiedlichen Gehäusen und leicht unterschiedlichen Spezifikationen.
Die VRE305A liefert 5V mit einer initialen Toleranz von maximal +/-0,5mV und einem Temperaturdrift von maximal 0,6ppm/K. Der Langzeitdrift liegt typischerweise bei 6ppm/1000h. Die Versorgungsspannung muss mindestens 13,5V betragen.
Das Datenblatt enthält einen Schaltplan, der die Funktionsweise der VRE305A erklärt. Grundlage der Referenzspannung ist eine 6,3V-Z-Diode, deren Arbeitsstrom von einer JFET-Stromquelle geliefert wird. Am Pin 8 kann extern ein Kondensator angeschlossen werden, der das Rauschen reduziert.
Ein Operationsverstärker stellt mit seinem Verstärkungsfaktor die gewünschte Ausgangsspannung ein. Die Widerstände R3/R4, die den Verstärkungsfaktor definieren, beinhalten jeweils ein Kompensationsnetzwerk. Laut Datenblatt handelt es sich um eine Mischung von Widerständen und Thermistoren, die so eingestellt sind, dass der Temperaturdrift der Referenzspannung möglichst gering ausfällt. Die Thermistoren würden jeweils nur 2% des Gesamtwiderstands ausmachen, damit sie sich möglichst wenig auf den Langzeitdrift auswirken.
Anscheinend wollte man vermeiden über das Widerstandsverhältnis R3/R4 zusätzlich die Ausgangsspannung der verschiedenen Varianten einzustellen und hat dafür den Spannungsteiler R1/R2 zwischen Z-Diode und Operationsverstärker integriert. Der Pin 5 ermöglicht es die Ausgangsspannung noch etwas zu justieren. Anders als im Schaltplan dargestellt, beeinflusst dieser Eingang den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers. Die VRE305A bietet einen zusätzlichen Masse-Pin, der es erlaubt die Referenzspannung unbelastet abzugreifen.
Wie sich gleich noch zeigen wird, verbirgt sich hinter dem Temperatursensor eine einfache Diode, deren Arbeitsstrom über einen Widerstand eingestellt ist.
Unter der Abdeckung befindet sich ein Hybridschaltkreis. Einen Großteil der Fläche nehmen die Widerstände R3/R4 mit ihren Kompensationsnetzwerken ein. Der Trim-Eingang beeinflusst über den Widerstand Rtrim den Knoten zwischen den Widerständen R3/R4, an den auch der invertierende Eingang des Operationsverstärker angeschlossen ist. Der Operationsverstärker ist ein LM741 von National Semiconductor. Er besitzt eine eigene GND-Zuleitung.
Die grundlegende Referenzspannungsquelle befindet sich in der oberen rechten Ecke der Baugruppe. Der Aufbau entspricht der Darstellung im Datenblatt. Der Widerstand R2 ist auf zwei unterschiedlich große Bereiche aufgeteilt. Anscheinend dienen diese Widerstände dazu mit geringem Aufwand die verschiedenen Ausgangsspannungen darzustellen.
Der Pin 7, der das Bezugspotential für die Referenzspannung darstellt, führt über zwei Bonddrähte zur Z-Diode, so dass dieser Pfad möglichst wenig mit dem Arbeitsstrom der Diode belastet wird.
An der oberen Kante der Baugruppe befindet sich die Diode, die zur Temperaturmessung herangezogen werden kann. Der Widerstand Rd sorgt für den notwendigen Arbeitsstrom.
Sehr viele der Widerstände wurden mit einem Laser abgeglichen.
Die Kantenlänge der Z-Diode beträgt 0,69mm. Die Bauform mit der ausgeprägten MESA-Struktur findet sich auch im Digital-Analog-Wandler DAC80 von Burr-Brown.
Die Kantenlänge des JFETs beträgt 0,37mm. Das Symbol in der oberen linken Ecke des Dies ist das Logo der Firma Interfet. Die Zahl 26 steht für den Prozess N0026L.
Die Bonddrähte führen das Source- und das Drainpotential zu. Das Gatepotential erreicht den Transistor durch das Substrat. Die zwei Bondpads in den Ecken des Dies wären alternative Kontakte für das Gatepotential. Die blauen Elemente zwischen den Source- und Drain-Flächen stellen die obere Gate-Elektrode dar. Die grüne Fläche befindet sich unter den Strukturen und agiert als untere Gate-Elektrode.
Die Teststruktur in der unteren rechten Ecke scheint einen großen JFET darzustellen.
Der Operationsverstärker ist ein National Semiconductor LM741. An der rechten Kante des Dies finden sich die Zahlen 741. Wie auf der Seite des LM741 beschrieben, ist der Buchstabe U hinter den Zahlen 741 eine Revisionierung des Designs.
In den Kompensationsnetzwerken scheinen drei unterschiedliche Widerstandstypen eingesetzt worden zu sein. In der unteren Reihe ist ganz links eine Widerstandsmasse mit einer feingranularen Struktur zu erkennen. Diese Sorte Widerstand wurde nicht abgeglichen. Mittig befindet sich ein Widerstand mit einer glatten Oberfläche und rechts ein Material mit einer unregelmäßigeren Oberfläche. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Prozess des Abgleichs dort nicht nur Widerstandsmasse abgetragen, sondern auch einen verhältnismäßig großen Bereich der Umgebung erhitzt hat.
Die Kantenlänge der Diode, die zur Temperaturmessung herangezogen wird, beträgt 0,36mm. In der oberen linken Ecke finden sich kleine Strukturen, die es wahrscheinlich erlauben die Ausrichtung der Masken und die Qualität des Herstellungsprozesses zu überwachen.
Der innere, dunklere Bereich muss p-dotiert sein. Das Quadrat, das sich im Bondpad abzeichnet, ist der Durchbruch, über den die Metalllage den p-dotierten Bereich kontaktiert. Der hellgrüne Rahmen muss entsprechend n-dotiert und mit dem Substrat verbunden sein. Das Substrat stellt den Kathoden-Kontakt der Diode dar.
