Wie der Name bereits impliziert, wurde die Referenzspannungsquelle AD584 ursprünglich von Analog Devices entwickelt. Maxim hatte eine eigene Variante im Angebot, die hier zu sehen ist. Der Index J ist die schlechteste von drei Sortierungen. Die beste Sortierung L bietet eine Genauigkeit von +/-2,5mV (auf der 2,5V-Schiene). Der Temperaturdrift wird mit typischerweise 3ppm/°C angegeben. Dazu kommt ein Langzeitdrift von 25ppm/1000h. Die Rauschspannung beträgt 50µVpp (0,1-10Hz). Der Ausgang liefert bis zu 10mA. Über einen Strobe-Eingang kann man die AD584 deaktivieren, wodurch die Stromaufnahme von 750µA auf 100µA sinkt.
Die AD584 bietet vier Ausgänge: 10V, 5V, 2,5V und die Bandgap-Spannung, die üblicherweise bei 1,215V liegt. Das Datenblatt zeigt, wie man die Referenzspannung mit zusätzlichen Widerständen auf andere Werte justieren kann.
Je nachdem welche Ausgangsspannung man verwenden will, kann man verschiedene Pins brücken und so den internen Spannungsteiler anpassen. In einer solchen Verschaltung bietet der jeweilige Ausgang die spezifizierte Belastbarkeit. Nutzt man externe Pufferverstärker, so kann man ohne Brücken arbeiten und auch auf mehrere der Ausgangsspannungen zugreifen.
Im Gehäuse zeigt sich, dass sowohl das 10V-Referenzpotential als auch das Bezugspotential mit zwei Bonddrähten angebunden ist. Hier wurde nicht einfach die Verbindung verstärkt. Auf dem Die kontaktieren die Bonddrähte jeweils unterschiedliche Potentiale.
Die Abmessungen des Dies betragen 2,2mm x 1,8mm.
Das Design stammt offensichtlich von Maxim und geht auf das Jahr 1987 zurück.
An der unteren Kante des Dies sind neun Masken abgebildet. Viele lassen sich ihrer Funktion zuordnen. 1A bildet die tief liegende Kollektorzuleitung ab. 2E erzeugt die isolierten Bereiche. 4A stellt eine starke n-Dotierung dar. Da vor der Metalllage noch die Maske 5B folgt, scheint es wahrscheinlich, dass 4A sogenannte Sinker generiert, die Verbindung zwischen den tief liegenden n-Dotierungen und der Oberfläche. Mit 5B werden dann die Emitterbereiche generiert. 6A erzeugt Durchbrüche im Siliziumoxid, durch die die Metalllage die aktiven Elemente kontaktiert. 7B strukturiert dann die Metalllage. 9A dient offensichtlich dazu die Form der abgleichbaren Widerstände zu definieren. 8B könnte die Maske sein, die die Passivierungsschicht in den Bondbereichen öffnet.
Einige Masken wurden einmal überarbeitet. Die Maske für die isolierten Bereiche (2E) hat man dagegen viermal überarbeitet.
RF06Z scheint die interne Bezeichnung der AD584 zu sein. Man kann erahnen, dass in den unteren Lagen zumindest eine ähnliche Zeichenfolge abgebildet ist.
Das Maxim-Datenblatt für die AD584 enthält eine Abbildung der Metalllage, die sehr gut mit dem vorliegenden Die übereinstimmt. Auffällig ist lediglich ein Unterschied in der rechten unteren Ecke, wo auf dem vorliegenden Die das Bondpad für das Bezugspotential erweitert wurde. Das Maxim-Logo mit dem Copyright musste entsprechend nach links verschoben werden.
Im Analog Devices Data-Acquisition Databook von 1982 ist die Metalllage der AD584 von Analog Devices abgebildet. Diese AD584 ist etwas kleiner als das Modell von Maxim: 2,03mm x 1,55mm gegenüber 2,2mm x 1,8mm.
Man kann erkennen, dass die Anordnung der Bereiche auf dem Die ungefähr gleich ist. Es handelt sich aber eindeutig um zwei unterschiedliche Designs.
In der Mitte des Dies fällt sofort die typische Bandgap-Struktur auf, bei der ein großer Transistor einen kleinen Transistor umgibt. Das Verhältnis der Transistoren beträgt hier 8:1. Die Funktionsweise einer Bandgap-Referenzspannungsquelle ist im Rahmen des AD1403 genauer beschrieben.
Im rechten Bereich befinden sich abgleichbare Widerstände. Die Spuren des Abgleichs sind eindeutig zu erkennen. Interessant ist, dass man beim unteren Widerstand nicht nur einen einfachen Schnitt ausgeführt hat. Es wurde ein Bereich abgetrennt, dessen Enden eine Art Dreieck beschreiben.
Eine Bandgap-Referenzspannungsquelle kompensiert den negativen Temperaturkoeffizienten der Flussspannung eines pn-Übergangs mit dem positiven Temperaturkoeffizienten der Thermospannung eines pn-Übergangs. Das Datenblatt der AD584 zeigt die Temperaturschwankung der Ausgangsspannung und damit auch, dass die Kompensation der Temperaturkoeffizienten nicht perfekt ist.
Die Spannung einer Bandgap-Referenz steigt üblicherweise mit der Temperatur an, um dann wieder abzufallen. Die komplexere Kennlinie der AD584 lässt vermuten, dass es sich hier um eine sogenannte kompensierte Bandgap-Referenz handelt. Dabei wird eine Komponente mit einem zusätzlichen Temperaturdrift eingebracht, um die Kennlinie weiter zu linearisieren. Der Bereich in dem die Spannung driftet lässt sich mit dieser Maßnahme weiter einengen, die Kennlinie schwankt aber dafür üblicherweise stärker.
Wie sich noch zeigen wird, ist in der AD584 kein Element zu finden, das den Temperaturdrift der Bandgap-Referenz beeinflussen könnte. Es ist daher nicht unwahrscheinlich, dass der starke Anstieg ab 70°C durch Leckströme verursacht wird. Die exponentielle Entwicklung des Drifts würde dazu passen.
Das Datenblatt von Analog Devices enthält einen vollständigen Schaltplan für die AD584. Wie sich noch zeigen wird, entspricht die Schaltung fast exakt der Schaltung von Maxim.
Den Kern der typischen Bandgap-Zelle (türkis) bilden die Transistoren Q1 und Q2. Q5 liefert aus der 2,5V-Referenzspannung eine stabile Versorgung für die Kollektorwiderstände R32/R33. Das ist auch der Grund, warum das Datenblatt darauf hinweist, dass dieser Knoten nicht mehr als 100mV vertrimmt werden darf.
Die beiden Zweige der Bandgap-Referenz sind mit einem Differenzverstärker verbunden (grün). Versorgt wird der Differenzverstärker von Q10, der zwei Stromquellen darstellt. C50 begrenzt die Bandbreite der Schaltung und reduziert das Rauschen des Referenzausgangs. Aus diesem Grund bietet das Gehäuse den CAP-Pin. Zwischen CAP und Vbg kann man extern bis zu 100nF ergänzen und so das Rauschen weiter reduzieren.
Auf den Differenzverstärker folgt eine etwas ungewöhnliche Verstärkerstufe (gelb). C51 und C52 stabilisieren die Schaltung. Interessant ist hier, dass dieser Bereich direkt mit dem Substrat verbunden ist. Das Substrat und das Bezugspotential V- besitzen prinzipiell das gleiche Potential, die Trennung reduziert aber die Gefahr störender Rückwirkungen vom Ausgangstreiber auf die Referenzspannungsquelle.
Q20 (blau) sorgt für einen sicheren Anlauf der Schaltung. Q7 bildet den Ausgangstreiber der Endstufe (rot). Mit dem Strobe-Eingang kann man den Ausgang abschalten. Dieser Pin ist direkt mit der Basis des Endstufentransistors verbunden. Q8 und R42 bilden einen Überstromschutz. Der Transistor Q15 erweitert den Ausgang zu einer Push-Pull-Stufe, was das Regelverhalten verbessert.
Unterhalb des 10V-Ausgangs befindet sich ein Widerstandsteiler (lila), der die verschiedenen Ausgangsspannungen abbildet.
Die Regelschleife schließt sich an der Basis des Transistors Q1. An dieser Stelle wird die Bandgap-Spannung eingestellt, bei der der Temperaturkoeffizient minimal wird. Da sich die Regelschleife über den Spannungsteiler schließt, kann man die Abgriffe belasten, ohne dass sich die Spannungen ändern. Natürlich sind diese Abgriffe nicht so leistungsfähig wie der 10V-Ausgang. Aus diesem Grund muss man wie oben beschrieben Ausgänge brücken, wenn man die niedrigeren Ausgangsspannungen voll belasten will.
Auf dem Die finden sich alle Elemente des Schaltplans von Analog Devices. Lediglich der Widerstand R38 fehlt. Der Basisstrom der Transistoren Q1/Q2 fließt über den Spannungsteiler am Ausgang. Er schwankt mit dem Verstärkungsfaktor und damit auch mit der Temperatur, was eine zusätzlichen Temperaturdrift erzeugt. Der Einfluss lässt sich durch einen Widerstand zwischen den Transistoren kompensieren. Alternativ kann man den Spannungsteiler möglichst niederohmig auslegen. Da der Ausgang verhältnismäßig leistungsstark ist, konnte man hier den Spannungsteiler wahrscheinlich ausreichend niederohmig wählen und so auf den Widerstand verzichten.
In der oberen rechten Ecke des Dies befindet sich die bekannte quadratische Struktur, die zur Einstellung des Abgleichprozesses genutzt werden kann. Abgeglichen werden die Widerstände R30 und R31, die den Temperaturkoeffizienten der Referenzspannung definieren. Ein Testpad unter R31 erleichtert den Abgleich. Außerdem werden die Widerstände R34-R37 abgeglichen, die den Wert der einzelnen Referenzspannungen definieren. Der Widerstand R39 in der Stromsenke des Differenzverstärkers und die Kollektorwiderstände R23/R33 bestehen aus demselben Material, die Geometrien sind allerdings deutlich kleiner. Vermutlich hat man hier das Material nicht zum Abgleich, sondern aus anderen Gründen gewählt.
Wie bereits angemerkt, findet sich weder auf dem Schaltplan noch auf dem Die ein Element, dass den Temperaturdrift der Bandgap-Referenz weiter einengen könnte. Das spricht dafür, dass es sich hier um eine gewöhnliche, nicht um eine kompensierte Bandgap-Referenz handelt.
Die Endstufe (rot) und die kritischen Elemente der Bandgap-Referenz (grün/türkis) sind so angeordnet, dass sich die Abwärme der Endstufe möglichst gleich auf die beiden Pfade der Bandgap-Referenz auswirkt.
Das obere der beiden 10V-Bondpads ist mit der Endstufe verbunden. Vom 10V-Pin führt dann der zweite Bonddraht zum Spannungsteiler auf dem Die. Damit wird auch noch der Spannungsabfall über die Bonddrähte ausgeregelt. Das Bezugspotential ist über die ganze untere Kante und die Hälfte der linken Kante mit dem Substrat verbunden (blau). Neben der Endstufe befindet sich zusätzlich ein großflächiger Kontakt zum Substrat. Über den zweiten Bonddraht ist die Bandgap-Referenz mit dem Bezugspotential verbunden, so dass sie von Lastströmen nicht beeinflusst wird.
Der Kondensator C50 nimmt beinahe die Hälfte der Siliziumfläche ein. Die Kondensatoren C52 (links) und C51 (rechts) sind demgegenüber sehr viel kleiner. C51 ist ein klassischer Kondensator, während bei C52 zusätzlich die Kapazität der Basis-Emitter-Sperrschicht genutzt wird. Zu erkennen ist dies am Kontaktfenster, das sich in der Metalllage abzeichnet. Im linken Bereich lässt sich die Kapazität mit zwei zusätzlichen Metallflächen variieren, so dass man ein Optimum zwischen Regelgeschwindigkeit und Stabilität einstellen kann.
Üblicherweise befinden sich Transistoren in einer n-dotierten Wanne, die von p-dotieren Bereichen eingeschlossen ist. Solange das Substrat das negativste Potential der Schaltung aufweist, sind die Wannen elektrisch isoliert. Gut zu sehen ist dies bei den Transistoren Q3 und Q4, wo das orange Material die n-Dotierung darstellt, die von der hellrosa erscheinenden p-Dotierung umgeben ist. Die etwas herausragenderen Strukturen sind p-dotierte Rahmen, die bis zum Substrat reichen.
Wie im Schaltplan dargestellt, sind einige Transistoren direkt mit dem Substrat verbunden. Gut zu sehen ist das bei dem Transistor Q14, bei dem die orange n-Dotierung nur am Basiskontakt eingebracht wurde. Den Kollektor stellt die allseits umgebende p-Dotierung dar, die über die Rahmenstruktur direkt mit dem Substrat verbunden ist.
Der Transistor Q12 besitzt zwei Kollektoren. Während C1 wie bei Q14 direkt mit dem Substrat in Verbindung steht, ist C2 und dessen Umgebung etwas unübersichtlicher. In der Mitte der großen Metallfläche befindet sich wie üblich bei einem PNP-Transistor der kreisrunde, p-dotierte Emitter. Der Ring um diesen Kreis ist die n-dotierte Basis. Die Basisfläche wurde nach rechts erweitert und beinhaltet den vom Substrat isolierten p-dotierten Kollektor C2, der in der unteren rechten Ecke kontaktiert wird. In dieser p-dotierten Kollektorfläche wurde wiederum eine n-Dotierung eingebracht, so dass sich dort der NPN-Transistor Q6 ausbilden kann.
Ebenso schwierig zu erkennen ist der PNP-Transistor Q16. Hier kontaktiert die Metalllage eine quadratische, p-dotierte Fläche, die vollständig von der Metalllage verdeckt ist. Dieser Bereich befindet sich in einer n-dotierten Fläche, so dass sich ein Substrat-Transistor ausbildet.
