Richi´s Lab

TL7705A - Spannungswächter

TL7705

Der TL7705A überwacht die Spannungsversorgung von Mikroprozessor-Systemen. Der Baustein sorgt dafür, dass während des Hochfahrens der Versorgungsspannung das Prozessorsystem sicher im Reset bleibt, bis das Potential für einen ordnungsgemäßen Betrieb ausreicht. Bei kurzzeitigen, problematischen Spannungseinbrüchen wird der Reset ebenso aktiviert, wie beim Abschalten. So ist sichergestellt, dass während nicht ausreichender Versorgungsspannungslagen keine fehlerhaften Aktionen erfolgen.
Der TL7705A findet sich zum Beispiel in der Zentralschmierungs-Steuereinheit BEKA-MAX S-EP 6.

Der TL7705A ist so konfiguriert, dass er eine 5V-Versorgung überwachen kann. Parallel sind Varianten für die Versorgungsspannungen 3,3V, 9V, 12V und 15V verfügbar.

 

TL7705 Blockschaltbild

Das im Datenblatt enthaltene Blockschaltbild zeigt die Funktionsweise des TL7705A. Die zu überwachende Versorgungsspannung liegt am Sense-Eingang an und wird über den Spannungsteiler R1/R2 heruntergeteilt. Eine Variation des Widerstands R1 ermöglicht es den Baustein auf verschiedene zu überwachende Nennspannungen anzupassen.

Auf den Eingangsspannungsteiler folgt ein Schmitt-Trigger, der mit einem intern erzeugten Referenzpotential arbeitet und dessen Ausgang schaltet, sobald die zu überwachende Spannungsversorgung unter den eingestellten Wert sinkt. Ein Gatter ermöglicht es an dieser Stelle zusätzlich ein externes Reset-Signal einzuspeisen (RESIN). Diese Schnittstelle ist nützlich, wenn mehrere TL77xxA mehrere Versorgungsspannungen überwachen und deren Reset-Signale entsprechend kombiniert werden müssen.

Am Ausgang des Gatters ist ein Thyristor angedeutet, der den am Pin CT anzuschließenden, externen Kondensator entlädt. Der Kondensator wird über eine interne 100µA-Stromquelle aufgeladen. Diese Schaltung sorgt bei einer ansteigenden Versorgungsspannung für eine konfigurierbare Hysterese. Fällt die Versorgungsspannung dagegen unter die Schaltschwelle, so erfolgt der Reset-Vorgang ohne Verzögerung.

Ein zweiter Schmitt-Trigger stabilisiert mit seiner Hysterese das Schaltverhalten. Zwei Transistoren stellen einen differentiellen Ausgang dar.

 

TL7705 Die

Das Die hat eine Kantenlänge von 1,8mm. Die Strukturen sind noch recht übersichtlich. Zweimal sechs Testpads ermöglichen einen Abgleich des Systems.

 

TL7705 Die Detail

Die interne Bezeichnung scheint 94506A zu lauten. Das A könnte für eine erste Revision stehen.

 

TL7705 Die Detail

TL7705 Die Detail

Die zur Herstellung verwendeten Masken sind über mehrere Ti-Kürzel dargestellt. Demnach kamen acht Masken zum Einsatz.

 

TL7705 Die Analyse

Die Strukturen sind noch übersichtlich genug, um die einzelnen Potentiale nachzuverfolgen.

 

TL7705 Die Analyse Detail

Rechts des Sense-Bondpads befinden sich vier längere Widerstandsstreifen, von denen nur einer in die Schaltung eingebunden ist. Es handelt sich um den Widerstand R1 des Spannungsteilers am Sense-Eingang. Die Längen der Widerstandsstreifen passen gut zu den Widerstandswerten, die das Datenblatt für die verschiedenen Nennspannungen angibt:
TL7702A: 0Ω
TL7705A: 7.8kΩ
TL7709A: 19.7kΩ
TL7712A: 32.7kΩ
TL7715A: 43.4kΩ

 

TL7705 Die Analyse Detail

Die unteren Testpads lösen Fuses aus, die den Wert des Widerstands R2 beeinflussen. Der Widerstand R2 ist der untere Widerstand des Spannungsteilers am Sense-Eingang. Das Datenblatt gibt den Widerstandswert mit 10kΩ an.

Beim TL7702A entfällt der Widerstand R2. Das ist bemerkenswert, da damit auch die Möglichkeit des Abgleichs der Schaltschwelle entfällt. Nachdem der Spannungsteiler nicht mehr vorhanden ist, muss dieser zwar nicht mehr abgeglichen werden, die folgenden Schaltungsteile beinhalten aber ebenfalls Toleranzen, die beim TL7702A voll zum Tragen kommen. Das Datenblatt gibt für die verschiedenen Varianten folgende Schaltschwellen-Toleranzen an:
TL7702A: +/-2,0%
TL7705A: +/-1,1%
TL7709A: +/-1,3%
TL7712A: +/-1,9%
TL7715A: +/-2,2%
Der immer gleiche Absolutwert der Abgleichwiderstände für R2 führt zu einer Verschlechterung der Toleranzen mit steigendem Widerstandswert R1. Der TL7702A fällt dabei, wie zu erwarten war, aus der Reihe.

Im TL7705A kamen keine Metall-Fuses zum Einsatz. Die Fuses befinden sich innerhalb der Siliziumstrukturen und sind deswegen auch von einem Rahmen umgeben, der an das Massepotential angebunden ist. Der Rahmen verhindert, dass Ströme über das Substrat abfließen. Man meint außerdem innerhalb des lila Bereichs, unter den runden Kontakten blaue Flächen erkennen zu können. Das spricht dafür, dass es sich nicht um Polysilizium-Fuses, sondern um Zener-Fuses (Antifuses) handelt, die beim Auslösen leitend werden.

 

TL7705 Die Analyse Detail

Der RESIN-Eingang besitzt eine gewisse Eingangsbeschaltung und eine an die Referenzspannung angebundene Pull-Up-Struktur.

In der Bildmitte werden das RESIN-Steuersignal, das Referenzpotential und das heruntergeteilte SENSE-Potential verarbeitet. Die relativ symmetrischen Transistoren stellen den ersten Schmitt-Trigger, das NOR-Gatter und den zweiten Schmitt-Trigger dar.

Der grün angebundene, größere Transistor oben rechts entlädt über das Bondpad Ct den externen Kondensator, der die Entprellzeit definiert. Es handelt sich nicht, wie im Datenblatt dargestellt, um einen Thyristor, sondern um einen PNP-Transistor. Das ist wenig überraschend, da man in integrierten Schaltungen üblicherweise versucht mit Standard-Elementen zurecht zu kommen. Die Thyristorfunktion wird höchstwahrscheinlich durch die umgebende Schaltung dargestellt.

Das Ausgangssignal des zweiten Schmitt-Triggers wird im Bereich des roten Versorgungspotentials nach links geführt.

 

TL7705 Die Analyse Detail

Der Highside-Transistor des differentiellen Reset-Ausgangs arbeitet nicht, wie im Datenblatt dargestellt, mit einem einzelnen PNP-Transistor. Stattdessen befindet sich unter dem NPN-Lowside-Transistor des invertierten Reset-Ausgangs eine Sziklai-Transistorstufe bestehend aus einem NPN-Endstufentransistor und einem PNP-Treibertransistor.

Im relativ großen PNP-Treibertransistor dienen nur vier der elf Transistoren dazu den Highside-Transistor zu schalten. Die vier gegenüber liegenden Transistoren schalten den Lowside-Transistor. Die drei rechts angeordneten Transistoren scheinen mit der Ansteuerung eine Art Halteschaltung darzustellen, die dafür sorgt, dass die Reset-Signale auch bei niedrigen Versorgungsspannung noch möglichst lange möglichst sauber ausgegeben werden. Das Datenblatt gibt 2V als untere Grenze an.

 

Brokaw Reference

Die Referenzspannungsquelle des TL7705 basiert auf einer Brokaw-Zelle. Die schematische Darstellung aus dem IEEE-Artikel "A Simple Three-Terminal IC Bandgap Reference" von Paul Brokaw zeigt den prinzipiellen Aufbau (IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-9, No.6, Dezember 1974). Den Kern der Schaltung bilden die Transistoren Q1 und Q2, die unterschiedlich groß aufgebaut sind. Wählt man das Widerstandsverhältnis R1/R2 passend, so stellt sich an der gemeinsamen Basis der Transistoren Q1/Q2 eine temperaturstabile Referenzspannung ein.

Die Referenzspannung setzt sich zusammen aus der Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q1, die einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, und dem Spannungsabfall an R1. Der Stromspiegel Q10/Q11 legt fest, dass der Spannungsabfall an R1 proportional zum Strom durch R2 und damit zum Spannungsabfall an R2 ist. Im Pfad R2-Q1-(R3)-Q2 kompensieren sich die negativen Temperaturkoeffizienten der Basis-Emitter-Flussspannungen der Transistoren Q1/Q2. Die unterschiedlichen Transistorflächen sorgen aber dafür, dass sich die Basis-Emitter-Spannungen selbst nicht vollständig kompensieren. Die verbleibende Spannung, bietet den kleinen positiven Temperaturkoeffizienten der Temperaturspannung des pn-Übergangs. Diese am Widerstand R2 abfallende Spannung erzeugt einen Strom mit einem positiven Temperaturkoeffizienten durch den Widerstand R1. Wählt man das Widerstandsverhältnis R1/R2 passend, so wird der positive Temperaturkoeffizient derart skaliert, dass er exakt den negativen Temperaturkoeffizienten der Basis-Emitter-Strecke des Transistors Q1 kompensiert.

Der Transistor Q7 bildet einen Regelkreis zur Arbeitspunkteinstellung. Er steuert über den Widerstandsteiler R4/R5 die Transistoren Q1/Q2 aus. Er ist dazu an den rechten Zweig des Stromspiegels angebunden und reagiert entsprechend auf Unsymmetrien der Ströme in den zwei Zweigen. Die Kennlinien der Transistoren Q1/Q2 schneiden sich in genau einem Arbeitspunkt, der so eingestellt wird.
Der Regelkreis um Q7 hat den Vorteil, dass man die Höhe der Ausgangsspannung stufenlos über die Widerstände R4/R5 auf den gewünschten Wert einstellen kann. Nachteilig ist der Spannungsabfall über den Widerstand R4, der nicht absolut konstant ist. Der Widerstand R3 kompensiert diesen Effekt zu einem Großteil. Um das Verhalten weiter zu verbessern, empfiehlt Brokaw die Widerstände R4/R5 möglichst niederohmig zu wählen.

 

Brokaw Reference

Im obigen IEEE-Artikel ist außerdem eine Beispielschaltung für eine vollständige 2,5V-Referenzspannungsquelle abgebildet. Dort sind Maßnahmen enthalten, damit der Stromspiegel möglichst ideal arbeitet. Der Regelungstransistor arbeitet mit einem zusätzlichen Treibertransistor stabiler. Außerdem erfolgt die Versorgung der Schaltung über eine Stromquelle, die auf der Referenzspannung basiert und so weit weniger auf Störungen der Versorgungsspannung reagiert.

 

TL7705 Die Analyse Detail

Links des an das grüne Ct-Potential angebundenen Entlade-Transistors sind die Transistoren Q1/Q2 der Referenzspannungsquelle zu erkennen. Der rechte Transistor (Q2) hat die fünffache Fläche des linken Transistors (Q1). Die Transistoren besitzen runde Emitter und erinnern damit an PNP-Transistoren, der Farben der Flächen und der Verschaltung nach zu schließen muss es sich aber um NPN-Transistoren handeln.
Der Widerstand R2 ist über die hellblaue Verbindung angebunden. Darauf folgt, dunkelblau angebunden, der Widerstand R1, der zum schwarzen Massepotential führt.
Unterhalb der Transistoren Q1/Q2 befinden sich die zwei symmetrischen Transistoren des Stromspiegels.

Die in der Bandgap-Referenz generierte Referenzspannung (lila) wird auf das Testpad oben links geführt und kann so während eines Abgleichs überwacht werden. Die weiß markierten Testpads mit den zugehörigen Fuses dienen dem Abgleich. Kurz bevor der dunkelblaue Widerstandspfad (R1) das Massepotential erreicht, bildet der weiße Block einen Parallelpfad, der es ermöglicht den Widerstand R1 um einen kleinen Anteil zu reduzieren. Abgeglichen wird hier nicht der absolute Wert der Referenzspannung, sondern der Temperaturdrift. Wie bereits beschrieben, hängt dieser vom Widerstandverhältnis R1/R2 ab.

Am lila Testpad befinden sich die relativ kurzen und breiten Widerstände R4/R5. Wie Brokaw beschreibt, sind an dieser Stelle kleine Widerstandswerte nützlich, um Drifteffekte durch die Treiberschaltung zu reduzieren.

Der große, aus neun PNP-Transistoren aufgebaute Transistor, der aus dem roten Versorgungspotential gespeist wird, dient als Treibertransistor Q7 und puffert das rosa Referenzpotential des TL7705A. Der daneben platzierte, große Transistor mit seiner eigentümlichen Streifenstruktur könnte wie in der Brokaw-Applikation einen J-FET-Transistor darstellen, der das saubere Anlaufen der Schaltung sicherstellt.

 

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