Richi´s Lab

RCA CA3161

CA3161

CA3161 Datenblatt Blockschaltbild

Der RCA CA3161 ist ein BCD/7-Segment-Decoder ähnlich dem D146 / D147, er enthält allerdings auch gleich Konstantstromsenken. 7-Segment-Anzeigen können so direkt ohne Vorwiderstände angeschlossen werden. Der Baustein sorgt für einen Stromfluss zwischen 18mA und 35mA.

 

CA3161 Datenblatt Zeichensatz

Das Datenblatt zeigt, dass der Zeichensatz neben den Zahlen ein Minuszeichen und die Buchstaben E, H, L und P enthält.

 

CA3161 Die

Die Kantenlänge des Dies beträgt ungefähr 2mm.

 

CA3161 Die Details

10397B könnte die interne Bezeichnung der Schaltung sein.

 

CA3161 Die Analyse

Die einzelnen Schaltungsblöcke lassen sich relativ leicht identifizieren. An der unteren Kante befindet sich der Eingangspuffer (gelb). Mit Hilfe des Bias-Generators im linken Bereich erfolgt die Auswertung der Pegel an den Eingängen. Nach oben hin werden die Steuersignale differentiell, also normal und komplementär ausgegeben.

Der binäre Wert wird zuerst in einen dezimalen Wert umgewandelt (grün), bevor eine weitere Schaltung (blau) daraus die notwendigen 7-Segment-Steuersignale erzeugt.

Im oberen Bereich des Dies sind die sieben Endstufen integriert (rot).

 

CA3161 Die Eingangspuffer

Die Eingangspuffer sind wie Differenzverstärker aufgebaut und bieten differentielle Ausgänge. Am oberen Ende wird der aktuelle Wert über Lowsidetransistoren ausgegeben.

 

CA3161 Die Decodier-Matrix

CA3161 Die Decodier-Matrix

Der Binärwert, hier 1110, liegt mit seinem Komplementärwert an der unteren Kante der Matrix an. Ein Low-Pegel an einem Eingangspin führt zu einem aktiven Low-Pegel an der unteren Kante der Matrix (2^3). Bei einem High-Pegel bleibt der jeweilige Eingang offen (2^0 - 2^2). Die komplementären Anschlüsse verhalten sich entsprechend invers dazu.

Die Matrix enthält eine sogenannte Integrated Injection Logic, die abgekürzt wird mit den Zeichen I2L. Liegt an einem der vertikalen Streifen ein Low-Pegel an, so bleiben die Ausgänge inaktiv. Ohne Low-Pegel schaltet die Integrated Injection Logic einen Low-Pegel auf die Ausgänge.

Nach links führen insgesamt 15 Leitungen. 15 Leitungen sind ausreichend, weil für die Zahl 8 keine aktive Ansteuerung benötigt wird. Die ausgewählte Leitung bleibt inaktiv. Alle anderen Leitungen führen ein Low-Potential.

 

CA3161 Die I2L Analyse

Bei der Integration Injection Logic, I2L, befindet sich am Eingang der Injector, ein PNP-Transistor dessen Basis mit dem Massepotential verbunden ist und der so als Stromquelle dient. In der hier vorliegenden Schaltung ist der Injector nicht direkt mit dem positiven Versorgungspotential, sondern mit einer Stromquelle verbunden. Diese Maßnahme reduziert wahrscheinlich die Verlustleistung. An den Eingang können beliebig viele Lowside-Transistoren als Signalquelle angeschlossen werden. Die Ausgänge eines I2L-Gatters sind dann wieder NPN-Transistoren, die zum Massepotential durchschalten. Auch hier sind theoretisch beliebig viele Ausgänge möglich.

Auf dem Die des CA3161 sind die NPN-Transistoren eines I2L-Gatters als lange vertikale Basis-Streifen erkennbar, in denen sich quadratische Emitterflächen befinden. Zwischen zwei dieser Streifen ist jeweils ein Injector-Streifen integriert. Der Injector muss nicht unbedingt als langer Streifen parallel zu den NPN-Transistoren ausgeführt werden. Ein einzelner Block am oberen Ende würde grundsätzlich reichen. Der lange Streifen reduziert aber die Schaltverzögerung zwischen dem obersten und dem untersten NPN-Transistor. Diese Eigenschaft kann vor allem bei langen I2L-Gattern, wie sie hier vorliegen, kritisch sein.

Der als Injector arbeitende PNP-Transistor bildet sich zwischen dem mittleren und den daneben liegenden p-dotierten Streifen aus. Die n-Dotierung, in die die Streifen eingebettet sind, stellt die Basis dar, die über eine tiefer liegende starke n-Dotierung mit dem Massepotential verbunden ist.

 

I2L Inverse NPN-Transistoren

Der Aufbau der NPN-Transistoren entspricht auf den ersten Blick der üblichen Konstruktion. In einer n-dotierten Wanne mit einer tief liegenden, stark n-dotierten Zuleitung befindet sich eine p-dotierte Fläche, die stark n-dotierte Elemente enthält. Normalerweise stellt die untere n-Dotierung den Kollektor dar und die obere n-Dotierung bildet den Emitter des NPN-Transistors. Hier wird die Transistorstruktur allerdings invers genutzt. Die untere Wanne wird wie ein Emitter betrieben und die einzelnen Quadrate in der Basisdotierung arbeiten als Kollektoren. Das obige Schaltbild entspricht daher eher dem physikalischen Aufbau.

Der gewöhnliche Transistoraufbau ist vorteilhaft, weil sich dort eine dünne Basisschicht einstellen lässt. Ein Großteil der Elektronen, die sich aus dem Emitter lösen durchfliegen die Basiszone und erreichen den Kollektor. Der Dotierungs-Gradient, der sich im Basisbereich ergibt, wirkt sich ebenfalls vorteilhaft auf diese Bewegung aus. Bei einem invers betriebenen Transistor haben die Elektronen, die dann den großflächigen Kollektor verlassen viel mehr Gelegenheiten im Basisbereich abzufließen. Den kleinen Emitter erreichen nur wenige Elektronen.

NPN-Transistoren erlauben durchaus einen invertierten Betrieb. Die Durchbruchspannung und und der Verstärkungsfaktor sind dann üblicherweise deutlich geringer. Das gleiche gilt für die Grenzfrequenz. Vorteilhaft ist dagegen die geringere Sättigungsspannung. Die negativen Effekte lassen sich durch die Form und die Dotierung der Strukturen in einem gewissen Rahmen vorteilhaft beeinflussen. Eine detailliertere Betrachtung findet sich zum Beispiel im IEEE-Artikel "Device Physics of Integrated Injection Logic" (IEEE Transactions on Electron Devices Volume 222, Issue 3, März 1975).

 

I2L Analyse

Liegt am Eingang des I2L-Streifens kein Signal an, so sorgt der Stromfluss durch den Injection-Transistor (rosa) dafür, dass die NPN-Transistoren leitend werden und die Ausgänge auf Massepotential ziehen (grün).

Liegt am Eingang des I2L-Streifens ein Low-Pegel an, so werden die freien Ladungsträger des Injection-Transistors aus dem Basisbereich des NPN-Transistors abgeleitet, so dass dieser gesperrt bleibt.

 

Integrated Injection Logic-Present and Future

Integrated Injection Logic kann man in ein n-dotiertes Substrat integrieren. Im CA3161 wurden allerdings auch gewöhnliche Transistoren eingesetzt, die üblicherweise ein p-dotiertes Substrat benötigen.

Die im IEEE Journal of Solid-State Circuits (Volume 9, Issue 5, Oktober 1974) erschienene Veröffentlichung "Integrated Injection Logic-Present and Future" zeigt, wie mit sieben Masken I2L-Bereiche neben gewöhnlichen Transistoren integriert werden können. Es handelt sich, wie für normale Transistoren üblich, um ein stark p-dotiertes Substrat, dass die einzelnen Transistoren voneinander isoliert. Darüber befindet sich der NPN-Transistor mit einer tief liegenden, hochdotierten Kollektorzuleitung. Stark p-dotierte Begrenzungsstrukturen sorgen für eine seitliche Isolation.

Den I2L-Bereich isoliert eine stark n-dotierte Wanne. Als unteres Element kann die Kollektorzuleitung genutzt werden. Zusätzlich werden lediglich stark n-dotierte, tief reichende seitliche Begrenzungsstrukturen benötigt. Das erklärt auch die unterschiedliche Erscheinung der Begrenzungsstrukturen von normalen Transistoren und I2L-Bereichen auf dem Die des CA3161.

 

CA3161 Die Decodier-Matrix

Es folgt eine weitere I2L-Matrix, die letztlich die Endstufen des Bausteins ansteuert. Horizontal verlaufen sieben Leitung, die für die sieben Segmente stehen. Sie sind links an Stromquellen angebunden, die für einen High-Pegel im inaktiven Zustand sorgen. Die Endstufen, die einen Highpegel erhalten, werden aktiviert und es leuchten die entsprechenden Segmente. Die Matrix muss folglich die nicht benötigten Segmente deaktivieren. Aus diesem Grund ist die Zahl 8 hier nicht vorhanden, da ohne aktives Zutun alle Segmente aktiv sind und entsprechend eine 8 angezeigt wird. Fünf Leitungen führen rechts zu den Endstufen a, b, c und d. Die Leitungen für die Segmente f und g verlaufen links der Matrix. Der Bereich dieser Leitungen erweckt den Eindruck eine besondere Funktion zu besitzen. Tatsächlich handelt es sich aber nur um eine Unterquerung der Metalllage.

Wie bei der ersten Matrix handelt es sich auch hier um Integrated Injection Logic. Links oben befindet sich eine doppelte Stromquelle. Ein Pfad versorgt den Injector der unteren Matrix, der zweite Pfad versorgt den Injector der hier zu sehenden Matrix. Da der Bereich nicht allzu hoch ist, war es ausreichend den Injector als einzelnes Element oberhalb der Transistorstreifen auszubilden.

Wo kein Low-Pegel anliegt (X), werden die I2L-Transistoren aktiv und deaktivieren die dort angebundenen Segmente (hier d, e, f und g).

 

CA3161 Datenblatt Strombegrenzung

Das Datenblatt zeigt die Umsetzung der Strombegrenzung. Im Emitterpfad des Ausgangstransistors befindet sich ein Widerstand. Mit steigendem Strom erhöht sich der Spannungsabfall darüber und der untere Transistor leitet immer mehr Strom aus der Ansteuerung des Ausgangstransistors ab. Letztlich stellt sich der spezifizierte LED-Strom ein.

 

CA3161 Die Ausgang

Die großen Ausgangstransistoren sind direkt an den Bondpads integriert. Eine etwas dickere GND-Leitung garantiert die notwendige Stromtragfähigkeit. Um die GND-Leitung herum befindet sich die Strombegrenzung.

Darlingtontransistoren bilden die Ansteuerung der Endstufen. In ihren Kollektorpfaden befinden sich auffällig große Widerstände.

 

CA3161 Die Vorhalt

Auf dem Die des CA3161 sind erhebliche Flächen für eine weitere Funktion vorgehalten. In der unteren linken Ecke sind zwei sehr große Endstufen integriert. Über den Endstufen befindet sich ein Eingangspuffer, wie er auch für die 7-Segment-Ansteuerung verwendet wird. Es war offensichtlich vorgesehen die beiden Endstufen wechselweise einzuschalten.

Verfolgt man die Leitungen, so zeigt sich, dass das Bondpad für die Ansteuerung dieser Endstufen an der rechten Kante zu finden wäre. Das dort platzierte Bondpad für das Segment e würde dann in die obere rechte Ecke verschoben werden. Genauso kann man in der linken unteren Ecke das Bondpad des Eingangs 2^1 nach rechts verschieben, so dass in diesem Bereich zwei Bondpads für die zwei Ausgänge frei werden.

Es könnte sein, dass der Vorhalt das Multiplexen von zwei 7-Segment-Anzeigen ermöglichen sollte.

 

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