Richi´s Lab

Sanyo LA4102

LA4102

Der Sanyo LA4102 ist ein kleiner Audio-Verstärker, der bei 9V Versorgungsspannung 2,1W Ausgangsleistung an 4Ω darstellen kann (10% THD). Zur selben Familie gehören der LA4101 und der LA4100, die mit einer niedrigeren Versorgungsspannung von 7,5V bzw. 6V und einer geringeren Ausgangsleistung von 1,5W bzw. 1W spezifiziert sind.

 

LA4102 Kühlfahne

Das DIP-14-Gehäuse besitzt an einem Ende eine Kühlfahne, die sich ins Innere des Gehäuses erstreckt und dort das Die trägt.

 

LA4102 Schaltplan

Das Datenblatt der LA410*-Familie enthält einen Schaltplan mit Bauteilwerten. Als Eingangsstufe dient ein recht einfacher Differenzverstärker (rosa). Im Emitterzweig befindet sich lediglich ein Widerstand und auch die Kollektorpfade sind sehr einfach gehalten. Der Widerstand R12 koppelt das Ausgangssignal zum Differenzverstärker zurück. Über den Pin 6 kann der Frequenzgang dieses Pfades eingestellt werden. Der Zweck des Pins 8 erschließt sich nicht. Er ist auch in die Beispielschaltungen des Datenblatts nicht eingebunden.

Die weiß markierte Schaltung dient der Arbeitspunkteinstellung. Die Widerstände R4/R5 stellen einen Spannungsteiler dar. Das so generierte Referenzpotential wird extern über den Pin 10 stabilisiert. Der Transistor Q3 kompensiert wahrscheinlich Drifteffekte im Referenzpfad. Die Transistoren Q5/Q6 bilden einen Stromspiegel, der für einen konstanten Strom im Kollektor des Transistors Q6 sorgt.
Der Widerstand R1 stellt mit Hilfe des Referenzpotentials einen Gleichstrompfad für den Eingang dar. Das ist notwendig, da das Eingangssignal auf Grund der einfachen Spannungsversorgung kapazitiv eingekoppelt werden muss.

Zwischen dem Eingangsverstärker (rosa) und der Spannungsverstärkungsstufe (grün) befindet sich eine weitere Verstärkerstufe (dunkelgrau), die mit der Stromsenke Q6 arbeitet. Dieser Schaltungsteil entlastet den Differenzverstärker und verschiebt den Offset des Nutzsignals.
Der Differenzverstärker, die Referenzspannungserzeugung und der Pufferverstärker werden nicht direkt aus dem positiven Versorgungspotential gespeist. Ein 100Ω-Widerstand entkoppelt diese empfindlicheren Schaltungsteile von den Endstufen. Am Pin 12 ist ein Pufferkondensator anzuschließen.

Die Spannungsverstärkungsstufe (grün) basiert auf dem Transistor Q7. Über die Pins 4 und 5 kann die gewünschte Kompensationskapazität extern angeschlossen werden.
Die Spannungsverstärkungsstufe enthält zwei Rückkopplungspfade. Der Widerstand R8 ist nicht einfach an das Versorgungspotential angebunden, sondern versorgt sich aus der Endstufe. Der Spannungsabfall über den dort befindlichen Widerstand R10 ist abhängig vom Ausgangssignal und bildet damit eine negative Rückkopplung. Am Pin 13 ist laut Datenblatt ein Kondensator zum Versorgungspotential zu ergänzen. Ein weiterer, mit dem Ausgangspin 1 verbundener, Kondensator realisiert dann zusätzlich eine positive Rückkopplung. Ingesamt bietet der Verstärker so einen einigermaßen linearer Frequenzgang ohne Instabilitäten aufzuweisen.

Die Transistoren Q12/Q13 stellen in Darlington-Verschaltung die Highside-Endstufe dar (rot). Die Lowside-Endstufe (blau) ist mit einem PNP- und einem NPN-Transistor als Sziklai-Paar aufgebaut. Wie der Eingang muss auch der Ausgang über einen Koppelkondensator an den Lautsprecher angebunden werden.

Der gelbe Schaltungsteil stellt den Ruhestrom der Endstufe ein. Üblicherweise wird dazu eine gewisse Spannung zwischen Highside- und Lowsidetreiber eingestellt. Im LA4102 sorgt der gelbe Schaltungsteile für eine bestimmte Spannungsdifferenz zwischen dem Ausgang und dem Emitter des Lowside-Treibertransistors Q8 und damit für einen gewissen unabhängigen Stromfluss durch die Lowside-Endstufe. Die Highside-Endstufe muss diesen Strom kompensieren und arbeitet dadurch auch in einem relativ linearen Bereich seiner Kennlinie.
Die besondere Art der Ruhestromeinstellung dürfte bei den geringen Versorgungsspannungen von Vorteil sein. Die Highside-Endstufe kann nämlich unabhängig von der Ruhestromeinstellung bei einer negativen Vollaussteuerung komplett abgeschaltet werden, was den Austeuerungsbereich erweitert.

 

LA4102 Die

Die Abmessungen des Dies betragen 1,55mm x 1,49mm. Während des Freilegen des Dies hat sich die Metalllage an den Bondpads ein Stück weit aufgelöst. An der linken Kante sind zwei Bondpads mit den Pin-Nummern 1 und 14 gekennzeichnet.

Die zwei großen Endstufentransistoren und der relativ große PNP-Treibertransistor der Lowside-Endstufe sind gut zu erkennen und erinnern an den A210 aus dem HFO.

 

LA4102 Die

Das Die ist mit der Zeichenfolge BA4102N beschriftet. Außerdem sind sieben Maskenbezeichnungen zu erkennen.

 

LA4102 Varianten

Das Datenblatt führt neben dem Schaltplan des LA4102 einen zweiten Schaltplan, der die weniger leistungsfähigen Varianten LA4101 und LA4100 darstellt. Bis auf die Ruhestromeinstellung ist dort kein Unterschied zu erkennen. Während im LA4102 der Transistor Q9 als Diode fungiert und die Transistoren Q10 und Q11 als Darlington-Paar arbeiten, dient bei den beiden kleineren Verstärkern auch der Transistor Q10 als Diode.
Je weniger Strom über eine Basis-Emitter-Strecke fließt, desto niedriger ist deren Flussspannung. Während der Steuerstrom des Transistors Q11 beim LA4102 zum Großteil über den Kollektor des Transistors Q10 fließt, muss er beim LA4100 und beim LA4101 vollständig über die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren Q10 und Q9 fließen. Diese Tatsache erhöht bei den kleineren Verstärkern die Flussspannung und damit auch den Ruhestrom durch die Endstufen.

Die unterschiedliche Konfiguration überrascht. Das Datenblatt gibt für die drei Varianten verschiedene Versorgungsspannungen und entsprechend verschiedene Ausgangsleistungen an. Man würde erwarten, dass es sich schlicht um unterschiedliche Qualitätsstufen handelt, die nach der Produktion sortiert wurden. Je nach Herstellungsqualität könnte man dann den Verstärker mit unterschiedlichen Spannungen betreiben und es ergeben sich die verschiedenen Leistungsstufen. Offensichtlich ist das hier nicht der Fall.

 

LA4102 Ruhestrom

Das Datenblatt zeigt passend zu den Schaltplänen, dass der Ruhestrom des LA4102 merklich geringer ist als der Ruhestrom des LA4100 und des LA4101. Es könnte sein, dass die Anpassung des Ruhestrom notwendig war, um mit dem LA4102 nicht die maximal abführbare Verlustleistung zu überschreiten. Immerhin fallen dort alleine durch den Ruhestrom bei einer Versorgungsspannung von 9V bereits 100mW an, mit der Ruhestromkurve des LA4100/LA4101 wären es 300mW. Der LA4102 wurde anscheinend ganz bewusst auf eine höhere Ausgangsleistung ausgelegt. Bei den Varianten LA4100 und LA4101 könnte es sich um zwei Sortierungen des selben Schaltkreises handeln.

Man würde erwarten, dass sich die unterschiedlichen Ruheströme auf den Verzerrungsfaktor auswirken. Das Datenblatt gibt aber für alle drei Modelle einen Verzerrungsfaktor von 0,5% an (1kHz, 250mW, 4Ω). Entweder fällt der Unterschied bei der Übernahmeverzerrung im Rahmen der Gesamtverzerrung nicht ins Gewicht oder die höhere Versorgungsspannung des LA4102 reduziert den Verzerrungsfaktor wieder etwas.

 

LA4102 Varianten

Die Ruhestromeinstellung ist einen genaueren Blick wert. Es fällt auf, dass hier anscheinend drei verschiedene Transistortypen zum Einsatz kamen. Im Fall des Transistors Q9 ist das noch verständlich. Es handelt sich um einen PNP-Transistor, dessen zwei braunen Quadrate den p-dotierten Emitter darstellen. Umgeben ist der Emitter vom grünen, n-dotierten Basisbereich, der sich unterhalb der Strukturen bis zum äußeren Rand des Transistors erstreckt. Die braune, p-dotierte Umrandung der zwei Basis-Rahmen bildet den Kollektor. Die Metalllage kontaktiert sowohl den Kollektor, als auch den äußeren Basisbereich. An der unteren Bildkante befindet sich ein weiterer PNP-Transistor, der genauso aufgebaut ist.

Der Transistor Q10 ist ein NPN-Transistor, dessen Aufbau sich auch noch gut erklären lässt. Der rechte Kontakt bildet die Verbindung zum grünen, n-dotierten Kollektorbereich. Die darüber platzierte, braune, p-dotierte Fläche bildet den Basisbereich und in der Basisfläche befinden sich die zwei dunkelgrau erscheinende Emitter. Die abweichende Farbe der Emitter ergibt sich durch eine stärkere n-Dotierung, was die elektrischen Eigenschaften des Transistors verbessert. Der helle Fleck im oberen Emitter ist die Durchkontaktierung, die es ermöglichen würde auch diesen Emitter mit der Metalllage zu verbinden.

Der zweite Emitteranschluss könnte bei einer der anderen LA410*-Varianten kontaktiert worden sein. Der LA4100 und der LA4101 weisen aber die gleichen Ruhestromwerte auf. Das spricht dafür, dass diese beiden Verstärker gleich aufgebaut sind. Es könnte sein, dass der zweite Kontakt ein Vorhalt war, um über eine relativ einfache Änderung der Metalllage den Ruhestrom justieren zu können.

Der Transistor Q11 ist ungewöhnlich aufgebaut. Rechts kontaktiert die vorbeilaufende Metalllage den grünen, n-dotierten Kollektorbereich. Darin befindet sich der braune, p-dotierte Basisbereich und der dunkelgraue, stark n-dotierte Emitter. Üblicherweise werden NPN-Transistoren wie der Transistor Q10 aufgebaut. Es werden ein oder mehrere Emitterquadrate in eine große Basisfläche integriert. Dieser Aufbau ist unter anderem beim A210 gut zu erkennen. Im LA4102 wurde dagegen beim Emitter eine Gitterstruktur gewählt, die Durchbrüche zur Kontaktierung des Basisbereichs aufweist. Der Aufbau entspricht den perforated Emitter Strukturen, wie man sie bei Leistungstransistoren, zum Beispiel dem BUX22, findet. Auch die beiden Endstufentransistoren, hier links im Bild, sind mit einem solchen perforated Emitter aufgebaut.

 

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