Die ZN458 ist eine auf einer Bandgap-Referenz basierende Referenzspannungsquelle von Ferranti. Die Ausgangsspannung beträgt 2,45V. Die initiale Abweichung vom Sollwert spezifiziert das Datenblatt mit +/-1,43%. Die Langzeitstabilität wird mit +/-10ppm über 1000 Stunden angegeben. Angeboten wurden drei Sortierungen. Die schlechteste Sortierung driftet zwischen 0°C und 70°C typischerweise um 10mV (17mV maximal). Die beste Sortierung ZN458B driftet nur um 4mV (5mV maximal). Das Rauschen wird mit 10µV angegeben (1Hz bis 10kHz).
Ein Widerstand in der Versorgung definiert den Arbeitsstrom der ZNN458, der zwischen 2mA und 200mA liegen darf. Einige Ferranti-Referenzspannungsquelle benötigen einen sogenannten "Shaping Capacitor". Bei der ZN458 ist dieser nicht notwendig. Ferranti hatte auch Varianten mit einstellbarer Ausgangsspannung im Programm (rechts).
Die beiden Potentiale des Dies hat man mit jeweils zwei Bonddrähten zum Gehäuse geführt, um die Widerstände möglichst klein zu halten.
Die Abmessungen des Dies betragen 1,1mm x 1,0mm. Die Oberfläche macht einen verschmutzten Eindruck. 6206-11 scheint eine interne Projektbezeichnung zu sein.
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Im unteren Bereich sind mehrere Masken und zwei Teststrukturen abgebildet. Die rechte Teststruktur stellt einen großen Transistor dar und bietet große Testpads. Daneben befindet sich ein weiterer Transistor und ein Widerstand. Hier kann man gut erkennen, dass die Metalllage im Bezug zu den anderen Lagen nicht optimal ausgerichtet war.
Die ZN458 ist ein Shuntregler. Die Grundlage bildet eine Bandgap-Referenz (türkis). Ein Operationsverstärker (lila) vergleicht deren Spannung mit der aktuellen Ausgangsspannung, die an einem Spannungsteiler anliegt (gelb). Der Operationsverstärker steuert einen größeren Transistor (rot), der dann genau so viel Strom fließen lässt, dass sich am Ausgang die gewünschte Referenzspannung einstellt.
Die Bandgap-Referenz (türkis) arbeitet selbst wie ein kleiner Shunt-Regler. Der Transistor Q7 und die Parallelschaltung der Transistoren Q8 bis Q17 erzeugen bei passender Auslegung eine sehr temperaturstabile Spannung an ihrem gemeinsamen Basisanschluss. Dafür muss der Stromfluss in beiden Pfaden gleich groß sein. Die Aufteilung des Stroms definieren zwei Widerstandsketten mit 11 und 9 Widerständen. Im linken Pfad ist ein Widerstand überbrückt. Über eine Anpassung der Metalllage konnte so die Aufteilung der Ströme und damit der Temperaturdrift justiert werden. Ein weiterer Abgleich nach der Produktion ist nicht vorgesehen.
Die Regelung der Bandgap-Referenz erfolgt über die Transistoren Q18/Q19. Solange die Versorgungsspannung unterhalb von R17 zu hoch ist, fließt zu diesen Transistoren ein Basisstrom, der dafür sorgt, dass mehr Strom an der Bandgap-Referenz vorbei geleitet wird. Das erhöht den Spannungsabfall an R17, so dass letztlich der Storm durch die Bandgap-Referenz fließt, der die gewünschte, temperaturstabile Referenzspannung erzeugt.
Der Operationsverstärker, der die Referenzspannung mit der Ausgangsspannung vergleicht, besteht aus zwei Differenzverstärkern (lila). Die Widerstände R18 bis R21 lassen sich offensichtlich über die Metalllage unterschiedlich verschalten. Darüber kann man die Ausgangsspannung einstellen. Auch den Spannungsteiler R13-R16 (gelb) könnte man über eine Änderung der Metalllage konfigurieren. Auch darüber ließe sich die Höhe der Ausgangsspannung einstellen. Der Kondensator C2 sorgt dafür, dass die Schaltung stabil arbeitet und nicht schwingt.
Am Ausgang befindet sich ein Darlingtontransistor (rot). Ein konfigurierbares RC-Glied sorgt für Stabilität. Der Kondensator C1 nimmt einen sehr großen Teil der Siliziumfläche ein. Genutzt werden die parasitären Kapazitäten von Transistorstrukturen.
