Die TAA550 ist eine Referenzspannungsquelle, die als Shuntregler arbeitet. Die Entwicklung geht auf Valvo zurück. Eine der ersten Anzeigen, die die TAA550 bewirbt, findet sich in der Zeitschrift Electronics im Dezember 1968. Die TAA550 wurde im Laufe der Zeit von vielen Herstellern nachgebaut. Das hier vorliegende Modell stammt von dem ungarischen Hersteller Tungsram. Ein Philips TAA550, der der Valvo TAA550 ähnlich sein könnte, findet sich hier.
Die folgenden Spezifikationen stammen aus einem Philips Databook, beschreiben folglich die ursprüngliche Valvo-Entwicklung. Die Referenzspannung der TAA550 ist mit 30-35V verhältnismäßig hoch. Grund dafür ist das Haupteinsatzgebiet der TAA550. Sie wurde in analogen TV-Geräten eingesetzt, um eine Referenzspannung für den Abgleich von Kapazitätsdioden im Empfänger darstellen zu können. Der Toleranzbereich ist sehr groß. Wenn man den Empfänger in einem TV-Gerät sowieso noch abgleichen muss, ist das aber weniger kritisch. Teilweise entstanden die Sortierungen A, B und C, um die möglichen Spannungslagen etwas einzugrenzen. Der Temperaturdrift wird mit -3,1mV/K bis 1,55mV/K für den Temperaturbereich von 10°C bis 50°C angegeben.
Die obige Beschaltungsempfehlung stammt aus dem dem "Philips Data handbook - Semiconductors and integrated circuits" erschienen im März 1977. Interessant ist dabei die Filterung der Ausgangsspannung. Empfohlen wird eine CRC-Schaltung anstatt eines einfachen Kondensators. In einem Artikel in der Zeitschrift Electronics im Dezember 1969 warnt Valvo davor Kondensatoren mit mehr als 4,7nF direkt an den Ausgang der TAA550 anzuschließen. Im Fall eines Kurzschlusses muss man ansonsten mit Oszillationen zwischen der Leitungsinduktivität und dem Kondensator rechnen, deren negative Spannungen die TAA550 beschädigen.
Auf Grund der hohen Referenzspannung ist die Verlustleistung, die in der TAA550 anfällt, nicht unerheblich. Der minimal notwendige Arbeitsstrom beträgt 2mA, als typischer Wert sind 5mA spezifiziert. Mit diesem Strom fallen bis zu 175mW an. Das Datenblatt zeigt, dass der typische Strom ohne Kühlkörper nur bis zu einer Umgebungstemperatur von ungefähr 60°C zulässig ist.
In der Zeitschrift Electronics vom Dezember 1969 (Volume 42) findet sich ein Artikel in dem Valvo den Aufbau und die Funktionsweise der TAA550 beschreibt. Dort ist auch der obige Schaltplan abgebildet, der auf den ersten Blick sehr unübersichtlich wirkt.
Eine offensichtliche und ungewöhnliche Eigenheit der TAA550 ist die Tatsache, dass das Substrat mit dem positiven Versorgungspotential verbunden ist. Abgesehen von besonderen Ausnahmen hat man bei integrierten Schaltungen in Bipolartechnik eigentlich immer das Substrat mit dem negativsten Potential der Schaltung verbunden.
Die Widerstände sind mit ihren parasitären Dioden eingezeichnet. Im normalen Betrieb werden diese nie leitend. Im anfänglich beschriebenen Kurzschlussfall sind sie allerdings kritisch. Bereits bei -1V an der TAA550 muss man mit hohen Strömen über die Dioden rechnen.
Die Schaltung enthält drei Transistoren mit jeweils zwei Emittern. Die Funktionsweise ist mit dieser Darstellung nicht ohne Weiteres ersichtlich.
Das obige TAA550-Schaltbild stammt aus dem SGS ATES Databook 1975/1976 und ist leichter zu verstehen. Die Transistoren Q8 und Q9 stellen eine Darlington-Schaltung dar, die die Referenzspannung einregelt, indem sie mehr oder weniger Strom durch den Baustein fließen lässt. Die Referenzspannung ergibt sich über alle Basis-Emitter- beziehungsweise Emitter-Basis-Spannungen der Schaltung. Hier sind die Transistoren mit den zwei Emittern jeweils als zwei einzelne Transistoren dargestellt. Bei einem wird die Basis-Emitter-Strecke in Flussrichtung betrieben (Q3, Q5, Q7), bei dem anderen wird sie in Sperrrichtung betrieben, so dass sie eine Z-Diode darstellt (Q2, Q4, Q6).
Der Transistor Q1 bildet mit den umgebenden Widerständen einen sogenannten "Vbe multiplier". Die Schaltung vervielfacht die Basis-Emitterspannung, so dass darüber ungefähr 1,9V abfallen. Über die Darlington-Endstufe fallen circa 1,3V ab. Der Spannungsabfall über die Transistoren Q3, Q5, Q7 beträgt in etwa 2,0V. Die Z-Dioden müssen damit Zenerspannungen im Bereich zwischen 8,3V und 10V aufweisen. Das stimmt mit dem Artikel in der Zeitschrift Electronics überein, wo Valvo als Zielbereich eine Emitter-Basis-Durchbruchspannung von 8-10V angibt.
Wie bei vielen Referenzspannungsquellen wird auch bei der TAA550 der positive Temperaturkoeffizient der Z-Dioden durch den negativen Temperaturkoeffizienten von in Flussrichtung betriebenen pn-Übergängen ausgeglichen. Die hohe Referenzspannung erfordert allerdings die etwas komplexere Schaltung, die hier zu sehen ist.
Der Temperaturkoeffizient einer Z-Diode hängt von ihrer Zenerspannung ab. Microsemi zeigt in seinen Micro Notes (203) das obige Verhalten. Ab einer Zenerspannung von ungefähr 5V wird der Wert positiv, wobei der Temperaturkoeffizient in diesem Übergangsbereich zusätzlich sehr stark vom Strom abhängt. Bei 8-10V müsste man demnach mit 0,055-0,065%/K rechnen (4,4-6,5mV/K). Geht man davon aus, dass sich die Z-Dioden in der TAA550 ähnlich verhalten, dann sollten sie einen Temperaturdrift von insgesamt 13,2-19,5mV/K mit sich bringen.
Ein einzelner pn-Übergang bietet dagegen nur einen Temperaturkoeffizienten von -2mV/K. Aus diesem Grund befinden sich in der Schaltung neben den Darlington-Transistoren Q8 und Q9 zusätzlich die in Flussrichtung betriebenen Transistoren Q3, Q5, Q7. Insgesamt ergibt sich so ein Wert von -10mV/K. Den fehlenden Beitrag liefert der Vbe Multiplier um Q1. Er vervielfacht nicht nur die Basis-Emitter-Spannung selbst, sondern auch deren Temperaturkoeffizienten. Mit der bisherigen Abschätzung müsste der Multiplikator 1,6-4,8 betragen.
Die Bedeutung der drei Widerstände R3, R4, R5 erschließt sich nicht auf den ersten Blick. Sie sind notwendig, weil der spezielle Aufbau der TAA550 zu einem problematischen Verhalten führen kann. Das zeigt sich deutlicher, wenn man den Schaltplan etwas anders darstellt und vereinfacht. Hier erkennt man, dass die Transistoren Q3, Q5 und Q7 das Potential haben sich wie eine Kette von Darlington-Transistoren zu verhalten. Der Stromfluss über die Kollektoren würde dazu führen, dass die Transistoren in Sättigung gehen und sich keine sinnvolle Referenzspannung mehr einstellt.
Um dies zu verhindern, hat man die Widerstände R3, R4 und R5 integriert. Sie leiten den auftretenden Kollektorstrom ab und verhindern so, dass er in der Basis-Emitter-Strecke wirksam wird. Da sich die Kollektor-Basis-Spannung und damit auch der Kollektorstrom nach unten hin erhöhen, werden die Werte der Widerstände kleiner: 1,1kΩ / 1kΩ / 0,9kΩ.
Beim Kontaktieren des Anschlusspins mit dem Bonddraht hat man den Bonddraht relativ lang überstehen lassen und dann abgeschmolzen, wodurch sich eine kleine Kugel am Ende geformt hat.
Ein transparenter Verguss schützt das Die vor Umwelteinflüssen. Er lässt sich mit Entlacker anlösen und dann entfernen.
Die Kantenlänge des Dies beträgt 0,55mm. Neben dem Bondpad befindet sich ein T wie es Tungsram als Logo genutzt hat. Die typische Zweiteilung wurde mit der Basis- und der Emitterdotierung umgesetzt. Als Nebeneffekt kann man mit dem Logo erkennen, wie gut die beiden Masken zueinander ausgerichtet sind.
Die auffälligste Eigenschaft der TAA550 ist das Fehlen von isolierten Bereichen. Alle Elemente befinden sich in einem n-dotierten Substrat. Aus diesem Grund ist das Substrat hier über das Gehäuse mit dem positiven Versorgungspotential verbunden. In der oberen linken Ecke des Dies befindet sich die Einspeisung des positiven Versorgungspotentials in die Schaltung.
Q1, Q8 und Q9 sind abgesehen von der fehlenden Isolation zur Umgebung wie normale Transistoren aufgebaut. Die anderen Transistoren besitzen jeweils zwei blaue Emitterflächen in der grünen Basisfläche. Besonders gut ist das beim Doppeltransistor Q4/Q5 zu erkennen. Der Endstufentransistor Q9 ist deutlich größer aufgebaut, um eine ausreichende Stromtragfähigkeit darstellen zu können.
Die Widerstände R3 und R4 erscheinen hier ähnlich groß. R5 ist dagegen merklich kleiner.
Der Widerstand R1 besteht aus drei Elementen. Je nachdem welchen Multiplikator man beim Transistor Q1 benötigt, kann man die Widerstände über eine Änderung der Metalllage überbrücken. Das bedeutet allerdings auch, dass es sich hier nicht um eine individuelle Einstellmöglichkeit nach der Produktion der Bausteine handelt. Man muss den Herstellungsprozess stabil genug im Griff haben, dass ein einmal eingestellter Temperaturkoeffizient über die zu produzierende Charge ausreichend konstant bleibt. Grob abgeschätzt scheint der Multiplikator im Bereich zwischen 1,6 und 4,3 einstellbar zu sein. In dieser TAA550 dürfte der Faktor 2,9 betragen, was plausibel wäre.
