Richi´s Lab

Intersil ICL8038

ICL8038

Der ICL8038 ist ein von Intersil entwickelter Funktionsgenerator, der ein Rechteck-, ein Dreieck- und ein Sinussignal ausgibt. Der mögliche Frequenzbereich beginnt mit 0,001Hz sehr niedrig und reicht bis 300kHz. Der Tastgrad lässt sich zwischen 2% und 98% variieren. Mit einer Versorgungsspannung von bis zu 30V kann man einen Ausgangspegel von 28Vpp erreichen.

 

ICL8038 Blockschaltbild

Das Blockschaltbild im Datenblatt zeigt die Funktionsweise des Bausteins. Der ICL8038 besitzt eine Stromquelle (#1) und eine Stromsenke (#2), deren Stromwerte sich über externe Widerstände einstellen lassen. Die erzeugten Ströme laden oder entladen einen Kondensator, der extern am Pin 10 anzubinden ist. Die Kapazität bestimmt mit den Stromwerten den Frequenzbereich. Das Verhältnis von Lade- und Entladestrom bestimmt den Tastgrad. Die Spannung am Kondensator folgt einer Dreiecksform, die über eine Verstärkerstufe am Pin 3 ausgegeben wird. Dieses Dreiecksignal wird gleichzeitig herangezogen, um das Sinussignal zu erzeugen, das am Pin 2 abgegriffen werden kann. Zwei Komparatoren werten die Spannung am Kondensator aus und steuern ein Flip-Flop, dass das Rechtecksignal generiert. Ausgegeben wird das Rechtecksignal über einen Pufferverstärker am Pin 9. Das Flip-Flop schaltet außerdem die Stromsenke #2, so dass die Schaltung wie gewünscht oszilliert. Um nicht auch noch die Stromquelle #1 schalten zu müssen, liefert die Stromsenke #2 den doppelten Strom der Stromquelle #1. Insgesamt ergibt sich so ein konstanter Strombetrag mit wechselnder Polarität.

 

ICL8038 Schaltplan

Das Datenblatt enthält auch einen ausführlichen Schaltplan, der hier zum besseren Verständnis eingefärbt wurde. Die Stromquelle (gelb) besteht lediglich aus zwei Transistoren in Sziklai-Verschaltung. Die Stromsenke (dunkelgrün) basiert ebenfalls auf einer Stromquelle, die über einen Stromspiegel in eine Stromsenke transformiert wird. Der Stromspiegel verdoppelt außerdem den Strom. Beide Stromquellen arbeiten mit derselben Referenz (lila). Die Ströme der Stromquellen werden durch die externen Widerstände RextA und RextB festgelegt. Mit diesen Widerständen und der Integrationskapazität Cext stellt man die Arbeitsfrequenz oder den Frequenzbereich ein. Variieren kann man die Frequenz über den Pin 8, der die Referenzschaltung und so die beiden Stromquellen gleichermaßen beeinflusst. Hinter dem Pin 7 ist ein Spannungsteiler integriert. Benötigt man die Abgleichmöglichkeit über Pin 8 nicht, so muss man lediglich Pin 7 und Pin 8 verbinden.

Das Dreiecksignal am Integrationskondensator wird oberhalb des als Diode verschalteten Transistors Q9 abgegriffen. Im Pufferverstärker für das Dreiecksignal (rosa) nimmt die Darlingtonschaltung Q35/Q36, die als Emitterfolger arbeitet, das Signal entgegen. Darauf folgt eine interessante Endstufe, deren Hauptbestandteil der Transistor Q40 ist. Das Potential am Pin 3 ist über die Basis-Emitter-Strecken Q9 / Q35 / Q36 / Q40 festgelegt. Dank dem Transistor Q9 ist das Potential am Pin 3, aus Sicht der Anzahl und der Anordnung der Basis-Emitter-Strecken auf dem gleichen Niveau wie das Potential des Integrationskondensators. Über die Strecke Q9 / Q35 / Q36 / Q38 / Q37 liegt die Basis des Transistors Q39 etwas höher und sorgt so für einen gewissen Ruhestrom. Die Endstufe kann laut Datenblatt bis zu 25mA aufnehmen. Ein Diagramm zeigt, dass die Stromlieferfähigkeit sehr viel begrenzter ist. Das Signal pendelt um die halbe Versorgungsspannung. Nutzt man eine symmetrische Versorgung, so stellt sich der Mittelwert bei 0V ein.

Um aus dem Dreieckssignal ein Sinussignal zu erzeugen, wird es verhältnismäßig hochohmig (R44) in einen Schaltungsteil eingespeist, der eine spannungsabhängige Impedanz darstellt (rot). Steigt der Pegel des Dreiecksignals, so erhöht sich die Belastung und es fällt mehr Spannung über den Widerstand R44 ab, was den Anstieg des Potentials am Pin 2 reduziert. Es ergibt sich das gewünschte Sinussignal beziehungsweise eine Annäherung an ein Sinussignal. Die spannungsabhängige Impedanz wird über eine verhältnismäßig große, symmetrisch aufgebaute Schaltung dargestellt. Die PNP-Transistoren Q41, Q43, Q45 und Q47 werden mit steigender Spannung nacheinander leitend und nehmen abhängig von ihren Emitterwiderständen unterschiedlich hohe Ströme auf. Hinter jedem Transistor definiert ein zweiter Transistor die Einsetzspannung der jeweiligen Stufe. Diese Transistoren greifen auf einen großen Spannungsteiler am rechten Rand zurück. Für die niedrigen Pegel ist die gleiche Schaltung im unteren Bereich des Schaltplans komplementär aufgebaut. Hier liefern die NPN-Transistoren Q49, Q51, Q53 und Q55 einen Strom, der mit fallender Spannung steigt. Über die Pins 1 und 12 ist es möglich die Schaltung so weit abzugleichen, dass das Sinussignal nur noch eine Verzerrung von 0,5% aufweist. Unabgeglichen muss man für die schlechteste Sortierung ICL8038CC mit typischerweise bis zu 2,0% rechnen. Der Sinusausgang darf dabei selbstverständlich nicht zu stark belastet werden.

Am Integrationskondensator sind die beiden Komparatoren angebunden (hellgrün/blau). Die Widerstände R8, R9 und R10 definieren die Schaltpunkte der Komparatoren derart, dass das Signal symmetrisch um die halbe Versorgungsspannung oszilliert. Das Ausgangssignal des oberen Komparators wird über den Transistor Q14 invertiert. Das Flip-Flop (grau) ist mit Schottky-Transistoren aufgebaut. Bei diesen Transistoren befindet sich zwischen Basis und Kollektor eine Schottky-Diode, die verhindert, dass der Transistor in Sättigung ausgesteuert wird. Diese Maßnahme erhöht die Schaltgeschwindigkeit des Flip-Flops, da sich die Schottky-Transistoren schneller wieder abschalten lassen. Das Flip-Flop besitzt mit Q30-Q34 einen eigenen kleinen Spannungsregler. Die Stromsenke (dunkelgrün) wird abgeschaltet, indem der Ausgang des Flip-Flops den Strom im Referenzpfads des Stromspiegels ableitet. Der Pufferverstärker für das Rechtecksignal bietet einen Open-Collector-Ausgang (türkis).

 

ICL8038 Die

Das Die des ICL8038 ist 1,9mm x 1,8mm groß.

 

ICL8038 Die Detail

Intersil

 

ICL8038 Die Detail

ICL8038 Die Detail

An der unteren Kante des Dies findet sich ein Symbol, das an eine Kombination aus einem kleinen M und einem kleinen I erinnert. Vielleicht handelt es sich um ein Logo des Entwicklers. Daneben sind die Bezeichnungen und Revisionen der verwendeten Masken abgebildet. Interessant ist, dass die Revision der Metalllage, 6B, nach oben zur Bezeichnung 8038 B gezogen wurde. Das B am Ende der Bezeichnung zeigt höchstwahrscheinlich, dass es sich um die zweite Revision des Designs handelt. Dazu passt, dass auch die einzelnen Masken maximal eine Revision B darstellen.

 

ICL8038 Die

Die einzelnen Potentiale lassen sich problemlos zuordnen.

 

ICL8038 Die Detail

Über die linke Kante des Dies erstreckt sich der Widerstand, der das Referenzpotential für die Stromquellen vorgeben kann. Der obere Widerstand (rot) stellt laut Schaltplan einen Wert von 11kΩ dar. Der untere Widerstand (grün/türkis) ist mit 39kΩ spezifiziert. Er besteht aus zwei unterschiedlichen Materialien. Höchstwahrscheinlich handelt es sich beim zweiten Teil (türkis), um ein niederohmigeres Material, das über die zusätzlichen Kontakte einen Abgleich ermöglicht.

 

ICL8038 Die Schottky-Transistor

Der unterschiedliche Aufbau der Schottky-Transistoren ist auch auf dem Die zu erkennen. Bei beiden Transistorarten sind die Umrisse der Basis- und der Emitterflächen erkennbar (rot/grün). Die kleineren Umrisse in der Metalllage sind die Durchkontaktierungen (schwarz). Bei einem Schottky-Transistor (rechts) ist der Basiskontakt sehr viel größer. In der Metalllage ist ein zusätzlicher Umriss zu erkennen (türkis). Man kann davon ausgehen, dass es sich dabei um einen Durchbruch in der Basisfläche handelt, durch den die Metalllage zusätzlich den darunter liegenden Kollektorbereich kontaktiert. Zwischen der Metalllage und dem nicht zu stark n-dotierten Silizium ergibt sich die gewünschte Schottky-Diode.

Will man nur einen einfachen Kontakt ohne Diodenfunktionalität zwischen der Metalllage und einer n-dotierten Fläche, so muss man den Kontaktbereich sehr stark dotieren, wie es beim Kollektorkontakt (oben) der Fall ist.

 

ICL8038 Die Vergleich Endstufen

Die Endstufe des Rechteck-Ausgangs (grün) ist auffällig kleiner als die (Lowside-)Endstufe des Dreieck-Ausgangs (rot). Die schlechteren Eigenschaften des PNP-Transistors sind ein Grund für den größeren Flächenbedarf, vor allem aber arbeitet der Transistor im Dreieck-Ausgang im Linearbetrieb, während der Rechteckausgang lediglich ein- und ausgeschaltet wird. Die größere Fläche ermöglicht es die höheren Verluste, die im Linearbetrieb anfallen, abzuleiten.

 

ICL8038 Die Dreieck-Sinus-Wandler

Der Dreieck-Sinus-Wandler nimmt eine relativ große Fläche im rechten Bereich des Dies ein. In der oberen Hälfte befinden sich die PNP-Transistoren, die die variable Impedanz gegenüber dem Massepotential darstellen (türkis). Links davon sind die Emitterwiderstände integriert (blau). Die unterschiedlichen Größen sind gut zu erkennen. Für den obersten Widerstandswert (800Ω) wurden zwei Elemente parallel geschaltet. Rechts von den Lasttransistoren befinden sich die Transistoren, die die Einsetzspannung definieren (grün). Die Basisbereiche dieser Transistoren wurden teilweise verlängert, um die verschiedenen Verbindungen mit nur einer Metalllage darstellen zu können.

Im unteren Bereich befinden sich links als Last die kleineren NPN-Transistoren (gelb) mit ihren Emitterwiderständen (rot). Die weniger effizienten und daher größeren PNP-Transistoren, die die Einsetzspannung definieren sind rechts der Lasttransistoren zu finden (rosa).

An der rechten Kante des Dies sind die Widerstände des großen Spannungsteilers integriert, auf den der Dreieck-Sinus-Wandler zurückgreift (weiß). Um die kleineren Widerstandswerte darstellen zu können, wurden einige Bereiche parallel geschaltet.

Bei genauerer Betrachtung fällt auf, dass die Transistoren, die die Einsetzspannung definieren, nicht wie im Datenblatt dargestellt über Widerstände mit dem Masse- und dem Versorgungspotential verbunden sind. Stattdessen hat man die gegenüberliegenden Stufen über Kreuz miteinander verbunden, wie es das folgende Schaltbild darstellt.

 

ICL8038 Schaltplan Dreieck-Sinus-Wandler

Die tatsächliche Verschaltung ist aus Sicht des Flächenbedarfs effizienter, vielleicht erzeugt sie auch ein saubereres Sinussignal.

 

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