Richi´s Lab

HFO B461G

B461

Der B461G ist ein vom Halbleiterwerk Frankfurt Oder (HFO) produzierter Magnetfeldschalter, der auf dem Halleffekt basiert.

Die Zeichen R5 stehen für eine Fertigung im Mai 1983.

 

B461 Blockschaltbild

Das Datenblatt enthält ein Blockschaltbild, das den inneren Aufbau des B461G grob skizziert. Der integrierte Hallgenerator erzeugt eine Hallspannung wenn er von einem Magnetfeld durchströmt wird. Ein Differenzverstärker wertet diese Spannung aus und steuert einen Open-Kollektor-Ausgang. Der Trigger-Block bildet einen Schmitt-Trigger, der für ein sauberes Schaltverhalten sorgt. Das Blockschaltbild beinhaltet außerdem eine interne Spannungsversorgung, die über den Pin 3 aktiviert werden kann.

Parallel zum B461G hatte das HFO noch andere Hallsensoren im Portfolio. Darunter befand sich unter anderem der B460G, der die Hall-Spannung direkt ausgibt und so zum Beispiel als Stromsensor verwendet werden kann. Es ist gut denkbar, dass alle Varianten auf dem gleichen Design aufbauen und dann lediglich einzelne Schaltungsteile umverdrahtet beziehungsweise deaktiviert wurden.

 

B461 Schaltplan

Das Mikroelektronik Heft 9 der Kammer der Technik enthält einen ausführlichen Schaltplan des B461. Der linke Teil der Schaltung generiert demnach die zum Betrieb des Bausteins notwendigen Spannungen und Ströme. Der gelbe J-FET R20 sorgt für einen sauberen Anlauf der Spannungsversorgung, indem er für einen gewissen Stromfluss durch die Transistoren T17/T18 sorgt.
Der graue Schaltungsteil erzeugt einen einigermaßen konstanten Steuerstrom für den eigentlichen Spannungsregler. An den Transistoren T17/T18 fällt die Flussspannung zweier Basis-Emitter-Strecken ab. Über den Transistor T16 und den Widerstand R19 erzeugt diese Spannung einen gewissen Stromfluss. Der Transistor T15 besitzt drei Emitter und spiegelt darüber den erzeugten Strom in den folgenden, orangen Schaltungsteil und zusätzlich zurück zu den Transistoren T17/T18. Von da ab versorgt die Stromquelle ihre Referenzspannungsquelle T17/T18 selbst.
Der rosa Pfad ermöglicht es, gesteuert über den Pin 3, den Strom zur Masse hin abzuleiten und so den B461 zu deaktivieren.

Der Transistor T19 stellt eine einigermaßen konstante Versorgungsspannung ein. Dazu bildet die orange Schaltung eine Regelschleife. Erhöht sich die Spannung am Emitter von T19, so erhöht sich der Stromfluss durch den Widerstand R21 und den Darlingtontransistor T20/T21. Daraufhin leitet der Darlingtontransistor einen größeren Teil des Steuerstroms des Transistors T19 ab und es reduziert sich die Ausgangsspannung des Reglers.
Ohne weitere Maßnahmen wäre die Ausgangsspannung stark temperaturabhängig. Erhöht sich die Temperatur, so reduzieren sich die Flussspannungen des Darlingtontransistors T20/T21. In der Folge fließt mehr Steuerstrom durch den Darlingtontransistor, es wird mehr Steuerstrom von T19 abgeleitet und die Ausgangsspannung reduziert sich. Diesen Effekt kompensiert der Stromspiegel T22/T23. Bei einer Temperaturerhöhung reduziert sich die Flussspannung des Transistors T23, wodurch sich der Stromfluss in beiden Pfaden des Stromspiegels erhöht. Dadurch wird ein Teil des Basisstroms des Darlingtontransistors T20/T21 abgeleitet und der Temperaturdrift somit kompensiert.

Der grüne Schaltungsteil generiert eine Spannung, deren Temperaturdrift den Temperaturdrift der folgenden Stromsenken kompensiert, so dass sich dort ein möglichst konstanter Strom ergibt. T26 und R26 stellen innerhalb der grünen Schaltung ein Abbild der Stromsenken dar. Reduziert sich die Basis-Emitter-Spannung von T26 und erhöht sich so der Stromfluss durch den Transistor, so reduziert sich die Aussteuerung des Transistors T25 und damit der zu den Stromsenken fließende Strom. Insgesamt bleiben die Ströme der angeschlossenen Stromsenken so relativ temperaturstabil.

Das Hall-Element wird über die rote, besser stabilisierte Stromsenke mit Strom versorgt. Die sich einstellende Hall-Spannung wertet der dunkelgrüne Differenzverstärker aus. Die unterschiedlichen Widerstandswerte in den Kollektorpfaden definieren den Schaltpunkt des B461. Da das Nutzsignal differentiell eingespeist und ausgegeben wird, ist die Schaltung relativ unempfindlich gegenüber Gleichtaktstörungen. Das war wahrscheinlich der Grund, warum zur Steuerung der zugehörigen Stromsenke das heruntergeteilte, aber ansonsten nicht weiter stabilisierte Versorgungspotential herangezogen werden konnte.
Der zweite Differenzverstärkerstufe (blau) dient als Puffer und steuert die Ausgangsstufe. In den Kollektorpfaden befindet sich ein doppelter Stromspiegel. Der Doppeltransistor T7 sorgt für gleiche Ströme in den beiden Pfaden, während der Doppeltransistor T8 den Strom im rechten Pfad aus dem Differenzverstärker heraus spiegelt. Da der Ausgang nicht differentiell ist und somit empfindlicher auf Gleichtaktstörungen reagiert, wurde für die Stromsenke der speziell aufbereitete Steuerstrom herangezogen.

Der türkise Schaltungsteil sorgt mit einer zweiteiligen Hysterese für ein sauberes Schaltverhalten und stellt den Ausgangstreiber dar. Der Ausgang des zweiten Differenzverstärkers (blau) steuert den Transistor T9 aus. Über den Transistor T4 und den Widerstand R6 beeinflusst das Ausgangssignal den Summenstrom im ersten Differenzverstärker (dunkelgrün) und damit dessen Verstärkungsfaktor. Diese Verkopplung erzeugt eine gewisse Hysterese bei der Auswertung der Hall-Spannung.
Die Verschaltung der Transistoren T10 und T12 erzeugt eine Schmitt-Trigger-Funktion und sorgt so für saubere Logikpegel. Der Schmitt-Trigger nutzt eine Stromquelle, deren konstanter Strom über einen Stromspiegel im grünen Spannungregler erzeugt wird. Der Transistor T14 bildet letztlich den Open-Kollektor-Ausgang des B461.

 

B461 Verguss

Das im Gehäuse enthaltene Die ist mit einem Gelverguss geschützt.

 

B461 Die

B461 Die

Die Abmessungen des Dies betragen 1,7mm x 1,5mm. Das mittig platzierte Halleffekt-Sensorelement ist deutlich zu erkennen.

 

B461 Die Detail

B461 Die Detail

In der oberen linken Ecke des Dies ist die Typbezeichnung mit den vorangestellten Zahlen 01 abgebildet. Anscheinend handelt es sich um den ersten Revisionsstand des Designs. Dafür sprechen auch die Revisionszähler der sieben abgebildeten Masken.

 

B461 Funktion

Die sofort zu erkennende quadratische Metallfläche stellt nicht den eigentlichen Magnetfeldsensor dar. Die durch den Halleffekt erzeugte Spannung wird in der Siliziumschicht bestimmt. Die metallene Fläche dient höchstwahrscheinlich als Abschirmung gegen elektrische Felder.

Von rechts unten wird dem Hallsensor direkt das Versorgungspotential zugeführt (dunkelrot). Der Strom fließt zur Kante links unten und dort in die darunter liegende, weiß markierte Siliziumfläche. An der Kante oben rechts fließt der Strom aus der Siliziumfläche heraus (dunkelblau) und über die Metalllage und den Transistor der Stromsenke zum Massepotential.

In der Siliziumfläche herrscht eine relativ gleichmäßige Stromdichte (rot/hellblau gestrichelt). Ein senkrecht darauf einwirkendes Magnetfeld (grau) erzeugt durch den Halleffekt eine Spannung orthogonal zum Stromfluss (grün). Diese Spannung wird über zwei Kontakte zur Metalllage abgegriffen. Zwei Testpunkte (Uh-/Uh+) ermöglichen es die Hallspannung während der Produktion zu vermessen. Das Heft 9 der Kammer der Technik gibt eine Hall-Spannung von 8mV bei einer Magnetfeldstärke von 65mT an.

Die Metallfläche über dem Hall-Element besitzt zwei weitere Anschlüsse (rosa), die aber lediglich zur Versorgung andere Schaltungsteile herangezogen werden.

 

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