Richi´s Lab

HFO D146 / D147

D146C

Der im Halbleiterwerk Frankfurt Oder produzierte D146 ist ein BCD/7-Segment-Wandler. Man liest immer wieder, dass der D146 funktional dem SN7446 entspricht. Wie sich noch zeigen wird stimmt das so nicht ganz. Der Index C steht für das Keramikgehäuse. Die Bausteine mit Epoxidgehäuse tragen die Bezeichnung D146D. M0 weist den Oktober 1980 als Produktionsmonat aus. Die Zahl 1 steht für die "Güteklasse 1".

 

D146C Datenblatt

Der D146 wandelt ein BCD-Signal an den Pins A, B, C und D in die sieben Steuersignale a bis f um, die auf einer 7-Segment-Anzeige die zugehörigen Zahlen aufleuchten lassen. Der Eingang LT ermöglicht es im Rahmen eines Lampentests alle Segmente zu aktivieren. Über den Eingang RBI kann die Ziffer 0 ausgeblendet werden. Legt man ein Taktsignal am Pin BI/RBO an, so variiert der Tastgrad die Helligkeit der 7-Segmentanzeige.

 

D146C Die

Das Die nimmt eine Fläche von 3,0mm x 1,8mm ein.

 

D146C Die Detail

In den Ecken des Dies befinden sich mehrere Strukturen, die wahrscheinlich die Ausrichtung der Masken erleichtern und es ermöglichen die Prozessqualität zu überwachen.

In der oberen rechten Ecke ist außerdem ein Transistor mit Testpads integriert.

 

SN7446 Datenblatt

Das Datenblatt des SN7446 (Texas Instruments, 1988) enthält ein Blockschaltbild, dass die Arbeitsweise eines BCD/7-Segment-Decoders aufzeigt und sehr gut mit der Funktionsweise des D146 übereinstimmt.

Die BCD-Signale werden von zweimal vier NAND-Gattern vorverarbeitet. Das Lamp-Test-Signal greift in drei der ersten Gatter ein. Darüber wird der BCD-Wert X000 eingestellt, der für die Zahlen 0 oder 8 steht. Ein zweiter Pfad greift direkt in ein Ausgangs-Gatter ein und sorgt dafür, dass unabhängig vom Eingang D das mittlere Segment ebenfalls aktiv ist. Der Blanking Input Pin 4 steuert die vier Gatter der zweiten Reihe und kann dort einen Zustand erzwingen, der alle Segmente deaktivieren. Der Ripple-Blanking Input Pin 5 steuert ein großes Gatter. Liegt dort ein Low-Pegel an und würde auf der 7-Segment-Anzeige die Zahl 0 erscheinen, so deaktiviert das große Gatter die zweite Reihe der BCD-Gatter und darüber letztlich alle Segmente.

Die Eingangsgatter erzeugen differentielle BCD-Signale, die in einer Dekodiermatrix so verknüpft sind, dass mit einer Reihe von AND-Gattern die notwendigen Steuersignale für eine 7-Segment-Anzeige generiert werden. NOR-Gatter fassen die Steuersignale zusammen, die das gleiche Segment bedienen und liefern sie über Inverter zu den Ausgängen.

 

D146 Die Analyse

Die einzelnen Funktionsblöcke lassen sich auf dem Die gut identifizieren. Jedem Eingang sind zwei Eingangsgatter zugeordnet. Diese befinden sich in den rosa hinterlegten Bereichen. Die lila hinterlegten Blöcke D1 bis D8 stellen die Ausgangstransistoren der Gatter dar. Dazwischen befindet sich die Blanking- und die Lamptest-Schaltung (schwarz/hellgrün).

Der dunkelgrüne Bereich in der Mitte des Dies beinhaltet die Kombination aus Verbindungsmatrix und AND-Gattern, die die Umwandlung der BCD-Signale in die 7-Segment-Steuersignale realisiert. Das AND-Gatter für die Ausblendung der 0 ist ebenfalls in den Dekodiere integriert (weiß). Unterhalb des Dekodierers befinden sich die zugehörigen Basiswiderstände (blau).

Für ein Element der 7-Segment-Anzeige generiert der Dekodierer mehrere Steuersignale. Die orangen Blöcke beinhalten die NOR-Gatter, die diese Signale zusammenfassen. Die Ausgänge der NOR-Gatter besitzen Pull-Up-Widerstände (gelb) und steuern die roten Ausgangsendstufen so an, dass der Signalzustand noch einmal invertiert wird.

 

D146C Die Input

In diesem Bildausschnitt sind die zweimal zwei Eingangsgatter der Signale D und A zu sehen (grün/rot und blau/gelb). Die Eingangssignale kontaktieren direkt die ersten zwei Gatter D1 und A1. In beiden Fällen handelt es sich um AND-Gatter. Beim Gatter D1 ist allerdings nur ein Eingang beschaltet, so dass es lediglich als Pufferstufe arbeitet. Zu sehen sind die dunkelgrünen Basisbereiche, die an der Oberseite kontaktiert und über Widerstände an das positive Versorgungspotential angebunden sind. In diesen Basisbereichen befinden sich an der Unterkante ein (D) oder zwei (A) Emitterflächen. Der im Untergrund befindliche Kollektor stellt den Ausgang dar.

Auf das Eingangsgatter folgt eine Verstärkerstufe ("Phase Splitter"), die zwei differentielle Signale erzeugt. Auf den Phase Splitter folgt die Ausgangsstufe des Gatters in Form eines großen Transistors ("Out"). Dieser Lowside-Transistor invertiert das Nutzsignal, wodurch sich am Eingang D das Verhalten eines Inverters und am Eingang A das Verhalten eines NAND-Gatters ergibt.
Da das Ausgangssignal nur intern genutzt wird, konnte man auf einen Highside-Transistor am Ausgang des Gatters verzichten. In der Kollektorfläche des Lowside-Transistors befindet sich lediglich ein kleines, grünes Quadrat, das eine Diode darstellt und über die der Pull-Up-Widerstand der Phase Splitter Stufe zusätzlich als Pull-Up-Widerstand für den Ausgang herangezogen wird. Bei den zweiten Gattern war die Phase Splitter Stufe anscheinend nicht notwendig.

Von links erreichen die Schaltung die Steuersignale Lamptest und Blanking. Das Lamptest-Signal wird nur im ersten Gatter des A-Eingangs genutzt. Das Blanking-Signal steuert die zweiten Gatter beider Eingänge. Nach oben verlassen vier Steuersignale den Eingangsbereich und münden im Dekodierer.

 

D146C Die Decoder

Der Dekodierer besteht aus einer Reihe von 19 Transistoren. Jeder Transistor stellt ein AND-Gatter dar. Es handelt sich um die 18 AND-Gatter, die die Umwandlung der BCD-Signale realisieren und das eine AND-Gatter, das zur Ausblendung der Null genutzt wird.

 

D146C Die Decoder Detail

Abgesehen vom Transistor zur Ausblendung der 0 befinden sich die Kollektoranschlüsse am oberen Ende des Dekodierers, von wo sie mit den folgenden NOR-Gattern verbunden sind. Der dunkle Rahmen im innersten Bereich der Transistoren ist der tiefer liegenden, stark n-dotierte Streifen, der das Kollektorpotential niederohmig verteilt. Die grünen Streifen stellen die Basisflächen dar, die im unteren Bereich des Dekodierers mit Pull-Up-Widerständen verbunden sind. In der Basisfläche befinden sich dort Emitterquadrate, wo sich mit den quer verlaufenden Leitungen ein Transistor ausbilden soll. Es handelt sich um sogenannte Multi-Emitter-Transistoren. Erst wenn an allen Emittern High-Pegel anliegen, sperrt der Transistor und am Kollektor stellt sich ein High-Pegel ein. Insgesamt ergibt sich so das gewünschte AND-Verhalten.

Da das AND-Gatter zur Null-Ausblendung auf die gleichen Signale zugreift wie die Dekodierer-Gatter, befindet es sich in derselben Reihe. Das daraus erzeugte Steuersignal wird aber im unteren Bereich des Dies benötigt. Aus diesem Grund wurde der Transistor um 180° gedreht integriert, so dass der Kollektor auf der Unterseite der Reihe kontaktiert werden konnte.

 

D146C Die Decoder

Die Kreuzungspunkte, die Emitterflächen enthalten und kontaktieren, sind bei genauerem Hinsehen relativ gut zu erkennen. Die Verschaltung entspricht dem Schaltbild im Datenblatt des SN7446 mit Ausnahme der gelb markierten Knoten B1/a2 und C1/d1. Diese Verknüpfungen fehlen im Schaltbild des SN7446.

 

D146C SN7446 Unterschied

Die zusätzlichen Verbindungen sorgen im D146 dafür, dass beim BCD-Code 6 zusätzlich das oberste Segment und beim BCD-Code 9 zusätzlich das unterste Segment aktiv ist. Der D146 entspricht damit eher einem 74246 als einem 7446.

 

D146C Die Decoder

Oberhalb des Dekodierers befinden sich die NOR-Gatter, die die Steuerbefehle für die einzelnen Segmente zusammenfassen. Es handelt sich um Zweier- und Dreigruppen von Transistoren, in Emitterschaltung.

 

D146C Die Output

 Die zusammengefassten Kollektoranschlüsse der NOR-Gatter sind mit Pull-Up-Widerständen ausgestattet und steuern die Endstufentransistoren an den Ausgängen.

In direkter Nähe der Endstufentransistoren befinden sich Durchkontaktierungen, die das Substrat mit dem Massepotential verbinden. Durch diese Maßnahme werden lokale Potentialanhebungen unterbunden, die zu Querströmen durch das Substrat und zu Störungen im Schaltverhalten führen könnten.

 

 

D147C

Der D147 bietet dieselbe Funktionalität wie der D146. Die Ausgänge sind allerdings nur für eine Sperrspannung von höchstens 15V spezifiziert.

Das Logo auf diesem Bauteil gehört zur Arbeitsstelle für Molekularelektronik Dresden, die ab 1976 als Institut für Mikroelektronik Dresden bezeichnet wurde. Mit den Buchstaben GC erfolgte die Produktion im März 1976, also vier Jahre früher als beim obigen D146.

 

D147C Die

Obwohl der obige D146 und der hier zu sehende D147 in verschiedenen Standorten produziert wurden, sehen sie oberflächlich gleich aus. Man kann davon ausgehen, dass es sich um unterschiedliche Sortierungen des gleichen Schaltkreisdesigns handelt. Außerdem scheint es, dass die Produktionsanlagen und vor allem die Masken bei der Verlagerung der Fertigung ohne größere Änderungen übernommen wurden.

 

D147C Die Defekt

Tatsächlich findet sich auf diesem Die auch ein kleiner Produktionsfehler. Die Metallisierung einer der Endstufentransistoren ist unvollständig.

 

D147C Die Testtransistor

Der Transistor in den Teststrukturen ist hier noch etwas besser zu erkennen. Im oberen Bereich zeichnet sich die tiefer liegende Kollektorzuleitung ab. Im braunen Kollektorbereich (n-dotiert) befindet sich der grüne Basisbereich (p-dotiert), in dem wiederum ein brauner Emitterbereich (n-dotiert) integriert ist. Unter dem Emitterkontakt kann man noch einen grünen Streifen erkennen. Dabei handelt es sich um eine starke n-Dotierung, die einen niederohmigen Kontakt zwischen Metalllage und Emitterbereich garantiert.

 

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