Richi´s Lab

U114

U114

Der U114 ist ein CMOS-Schaltkreis, der eine analoge Quarz-Uhr mit Weckfunktion steuern kann. Entwickelt wurde der U114 im Institut für Mikroelektronik in Dresden. Zuerst erhielt das Uhrenwerk Ruhla fertige Schaltkreise. Später lieferte das Funkwerk Erfurt Wafer, die dann im Uhrenwerk Ruhla in die Gehäuse integriert wurden. Der vorliegende IC stammt aus dieser Zeit, da am unteren Ende die Buchstaben uwr aufgedruckt sind, die für Uhrenwerk Ruhla stehen.

 

U114 Schaltung

Die im Datenblatt abgedruckte Beispielschaltung erklärt die Funktionen des U114. Die Versorgungsspannung sollte zwischen 1,2V und 1,7V liegen. Als maximalen Leerlaufstrom gibt das Datenblatt 50µA an. Zwischen den Pins 9 und 10 ist ein Quarz mit einer Frequenz von 4,194304MHz anzuschließen. Die hohe Grundfrequenz erfordert mehr Teilerstufen als ein 32,768kHz-Standard-Uhrenquarz und bringt daher eine höhere Stromaufnahme mit sich. Der Uhrenschaltkreis U113 ist auf einen 32,768kHz-Quarz ausgelegt und benötigt entsprechend nur ein Zehntel des Stroms. Eine höhere Grundfrequenz bietet dafür eine höhere Genauigkeit. Über einen kleinen Drehkondensator kann man den Grundtakt ein Stück weit abgleichen.

An den Pins 4 und 6 wird über einen Kondensator der in Uhren übliche Lavet-Schrittmotor angebunden. Die Ausgänge bieten einen gegenphasigen 0,5Hz-Takt. Der Koppelkondensator erzeugt aus den Rechtecksignalen einzelne Impulse, die den Schrittmotor bewegen. Der Taster 3 am Pin 7 aktiviert den Schnellgang zur Einstellung der aktuellen Uhrzeit.

Im U114 ist auch eine Weckfunktion integriert. Der Pin 8 kann in diesem Zusammenhang genutzt werden, um über einen Transistor einen Lautsprecher anzusteuern. Ein häufiger Fehler des U114 war ein zu hoher Leckstrom am Pin 8. Als Folge fließt andauernd ein Strom über den Lautsprecher und den Transistor VT1 ab, der die Batterie entlädt. U114 mit diesem Fehler wurden als U124 für Wohnraumuhren ausgeliefert. Eine Abhilfemaßnahme gegen den erhöhten Ruhestrom war die Bestückung eines Basis-Emitter-Widerstands am Transistor VT1. Der Leckstrom aus dem U114 belastet so zwar weiterhin die Batterie, ohne den Verstärkungsfaktor des Transistors ist er aber unkritisch.

 

U114 Blockschaltbild

Für den U114 existiert auch ein Blockschaltbild. Der Quarz ist demnach an einen als Oszillator verschalteten Inverter angebunden. Diverse Teiler erzeugen aus der Grundfrequenz den gewünschten Sekundentakt. Der Schnellgang überbrückt eine 24:1-Teilerstufe. Zwei Endstufen treiben den Motor und eine weitere Endstufe steuert den Wecker-Lautsprecher. Die Wecklogik bedient sich bei zwei Taktfrequenzen der Teilerkette. Der schnellere Takt erzeugt den Signalton, der langsamere Takt sorgt für ein regelmäßiges An- und Abschalten des Tons.

 

U114 Die

Das im U114 enthaltene Die hat die Abmessungen 3,0mm x 1,8mm.

 

U114 Die Detail

An der rechten Kante findet sich die Bezeichnung U114. Die Zeichenfolge U4M39 lässt sich nicht zuordnen.

 

U114 Die Detail

Neben der Bezeichnung sind diverse Teststrukturen abgebildet.

 

U114 Die Detail

An der unteren Kante des Dies sind noch weitere Teststrukturen abgebildet, die auf sieben Masken schließen lassen.

 

U114 Die Detail

An der linken Kante befinden sich sieben Testpads, worüber sich drei MOSFET-Strukturen kontaktieren lassen.

 

U114 Die Analyse

In der Mitte des Dies befinden sich die großen Endstufen der Motorausgänge. Für jeden Ausgang ist ein Highside- und ein Lowside-Transistor integriert (grün/rot). Der weiße Block enthält den Treiber der Endstufen. Im gelben Block ist der Leistungstransistor integriert, der das Wecksignal ausgibt. Das Datenblatt gibt an diesem Ausgang einen maximalen Strom von 250µA an.

Rechts und links der Leistungstransistoren befinden sich mehrere Spalten mit Strukturen, die sich vielfach wiederholen. Mit ziemlicher Sicherheit handelt es sich dabei um die Frequenzteiler des U114.

An der unteren Kante befindet sich ein Testpad, das sich nicht ohne Weiteres einer Funktion zuordnen lässt.

 

U114 Die Detail

Der Aufbau der Leistungstransistoren ist relativ gut erkennbar. Die gelb-grünen, schleifenförmigen Strukturen stellen die Gateelektroden dar, die an einer Stelle von der Metalllage kontaktiert werden. Rechts und links der Gateelektroden werden Source und Drain der Transistoren großflächig kontaktiert.

 

U114 Die Detail

In der rechten unteren Ecke des Dies befindet sich ein Schaltungsteil, dessen Struktur von den vermeintlichen Teilerschaltkreisen abweicht. An den daneben liegenden Bondpads ist der Quarz angebunden. Folglich befindet sich in diesem Bereich höchstwahrscheinlich der Oszillator.

 

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