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VFC110 - Spannungs-Frequenz-Wandler

VFC110

Der VFC110 ist ein von Burr-Brown entwickelter Spannungs-Frequenz-Wandler (VFC). Die maximale Ausgangsfrequenz beträgt 4MHz. Die Linearität gibt das Datenblatt mit typischerweise 0,02% an.

 

VFC110 Blockschaltbild

Das Datenblatt enthält ein Blockschaltbild, das die Arbeitsweise des VFC110 zeigt. Das analoge Eingangssignal liegt zwischen den Pins 2 und 14 an. Der erste Operationsverstärker arbeitet mit dem 25kΩ-Widerstand und dem 50pF-Kondensator als Integrator. Will man den VFC110 statt mit einer Spannung mit einem Strom steuern, so kann man diesen am Pin 1 einspeisen. Über einen zusätzlichen externen Kondensator zwischen den Pins 1 und 12 lässt sich die Steigung der ansteigenden Flanke des Integrators einstellen.

Der zweite Operationsverstärker dient als Komparator. Er vergleicht den Ausgang des Integrators mit dem Bezugspotential und steuert den One-Shot-Block.

Der One-Shot-Block stellt die Länge des auszugebenden Impulses ein. Die Pulsbreite kann mit einem externen Kondensator (Cos) am Pin 6 verlängert werden. Über den Pin 5 lässt sich die One-Shot-Schaltung und damit der Ausgang des Bausteins deaktivieren.

Der VFC110 enthält eine 5V-Referenzspannungsquelle, die unter anderem genutzt werden kann, um am Eingang einen Offset zu erzeugen. Laut Datenblatt arbeitet die Referenzspannungsquelle mit einer langzeitstabilen buried Z-Diode.

 

 

VFC110 Die

Die Kantenlänge des Dies beträgt 3,1mm.

 

VFC110 Die Masken

An der oberen Kante befindet sich mit der Zeichenfolge CIC01498 eine für Burr-Brown typische Bezeichnung. Darauf folgt eine Auflistung von zehn Masken. Einige dieser Masken wurden schon dreimal überarbeitet.

 

VFC110 Die Abgleich

Nach der Fertigung erfolgte bei einigen Widerständen ein Abgleich. An der linken Kante des Dies befinden sich zweimal vier Quadrate, die anscheinend mit den Buchstaben A bis H gekennzeichnet wurden. Vier der Quadrate wurden während des Abgleichprozesses durchtrennt. Vielleicht markiert die Kennzeichnung eine Qualitätsstufe oder sie ermöglichte es den Abgleichprozess zurück zu verfolgen.

 

VFC110 Die Bondpad

Die Bondpads des Spannungseingangs, des Stromeingangs und des Cos-Anschlusses besitzen jeweils eine kleine Zusatzstruktur. Es könnte sich um eine Art Diode handeln, die die Schaltung vor problematischen Potentialen schützt.

 

 

VFC110 Die Analyse

Die Bondpads und die einzelnen Schaltungsteile lassen sich relativ gut identifizieren. Ohne eine Analyse auf Bauteilebene bleibt allerdings ein gewisses Maß an Unsicherheit.

Die Eingangsspannung wird an der linken Kante über den Widerstand Rin (dunkelgrün) in einen Strom gewandelt. In der oberen linken Ecke befindet sich der Kondensator Cint, der mit dem ersten Operationsverstärker (gelb) den Integrator abbildet. Die Stromsenke und der Umschalter am Eingang des Integrators sind auf dem Die relativ weit voneinander entfernt (hellgrün). Es folgt der zweite Operationsverstärker (türkis). Der nicht invertierende Eingang dieses Operationsverstärkers ist nicht, wie im Blockschaltbild dargestellt, fest an das analoge Massepotential angebunden. Stattdessen wird der Eingang auf ein zusätzliches Bondpad geführt (COMP+). Nachdem für dieses Potential kein Pin existiert, muss es noch im Gehäuse mit dem Massepotential verbunden worden sein. Anscheinend wollte man sich die Möglichkeit offen halten den nicht invertierenden Eingang nach außen zu führen. Am rechten Rand des Dies befindet sich der One-Shot-Schaltungsteil (rosa). Nach oben folgt der Ausgangstransistors (rot) und der zugehörige Treiber (dunkelrot). Eine nicht unbeträchtliche Fläche des Dies nehmen die Bereiche zur Arbeitspunkteinstellung (schwarz) und die Referenzspannungsquelle (blau) ein.

Der Enable-Eingang steuert zwei kleine Schaltungsteile (weiß), die in den Ausgangstreiber und in den One-Shot-Schaltungsteil eingreifen. Außerdem werden darüber die Stromsenken des zweiten Operationsverstärkers deaktiviert. Das Ziel war wahrscheinlich den Ausgang abzuschalten und den Baustein gleichzeitig in einem möglichst optimalen Arbeitspunkt zu halten, so dass er nach einer Reaktivierung schnell wieder normal arbeitet.

 

VFC110 Die Analyse

Da nur eine Metalllage zur Verfügung steht, ist die optimale Verteilung der vielen Versorgungs- und Bezugspotentiale durchaus eine kleine Herausforderung. Das negative Versorgungspotential -Vs (blau) befindet sich Großteils an der unteren Kante, wo auch die meisten Stromsenken platziert sind. Das positive Versorgungspotential +Vs (rot) verteilt sich großflächiger. Das analoge Bezugspotential GNDa (schwarz) ist sternförmig angebunden, damit unterschiedlichen Schaltungsteile sich nicht gegenseitig beeinflussen. Für das Eingangssignal steht mit GNDin (gelb) ein eigenes Bezugspotential zur Verfügung, das entsprechend nur mit dem Eingang des ersten Operationsverstärkers verbunden ist. Der Ausgang arbeitet mit dem exklusiven GNDd-Bezugspotential (türkis). Das sorgt dafür, dass die steilen Schaltflanken des Ausgangs die restliche Schaltung möglichst wenig beeinflussen.

 

 

VFC110 Die Bias

Die Arbeitspunkteinstellung an der unteren Kante beinhaltet einige Vorhalte.

 

VFC110 Die Bias

Im rechten Bereich sind am -Vs-Potential viele kleine Transistoren angebunden, die über die Enable-Schaltung die Stromsenken des zweiten Operationsverstärkers deaktivieren können. Leicht nach unten versetzt wurde eine zweite Reihe dieser Abschalttransistoren integriert. Was genau der Hintergrund dieses Vorhalts war, erschließt sich nicht. Vielleicht wollte man die Abschaltung auf zwei Blöcke aufteilen, vielleicht dachte man darüber nach zusätzlich einen Teil der Stromsenken des ersten Operationsverstärkers abzuschalten.

In diesem Bereich kann man unter der Metalllage die Substratanbindung des -Vs-Potentials erahnen. Als negativstes Potential der Schaltung sorgt es dafür, dass aus den aktiven Bereichen kein Strom abfließt.

 

VFC110 Die Bias

Die untere Arbeitspunkteinstellung enthält eine Bandgap-Referenz, die als Bezugspotential für die Stromsenken dient. Es ist der typische Aufbau aus zwei Transistoren zu erkennen, bei dem ein kleiner Transistor (blau) von zwei großen, parallel geschalteten Transistoren (gelb) umgeben ist. Eine ähnliche Konstruktion findet sich zum Beispiel in der Referenzspannungsquelle LT1009. Die unterschiedlichen Größen sind notwendig, um das gewünschte stabile Verhalten der Bandgap-Referenz einstellen zu können. Das Verhältnis der Emitterflächen beträgt hier 16:1. Die örtliche Nähe sorgt für möglichst gleiche Eigenschaften und Temperaturen. Rechts der Bandgap-Zelle ist noch der zugehörige Stromspiegel zu erkennen (rot).

In der unteren linken Ecke sind einige Vorhalte platziert. Wie sich gleich noch zeigen wird, befindet sich darunter eine buried Z-Diode (weißer Pfeil). Buried Z-Dioden bieten eine langzeitstabile Referenzspannung, da sich ihre Sperrschicht nicht an der Oberfläche des Dies befindet. An der Oberfläche eines Dies ist mit mehr Fehlstellen und Verunreinigungen zu rechnen, die zu einem störenden Langzeitdrift führen können. Die Schaltung besitzt sogar eine exklusive Leitung zum -Vs-Bondpad. Desweitern ist das Substrat in diesem Bereich an zwei Stellen zusätzlich kontaktiert, was Störungen aus den umgebenden Schaltungsteilen reduzieren kann. Vielleicht dachte man darüber nach die Z-Diode als Referenz für die Arbeitspunkteinstellung zu nutzen.

 

VFC110 Die Bias

Bei der Arbeitspunkteinstellung in der oberen linken Ecke erfolgte über zwei Widerstände ein Abgleich. Für diesen Abgleich wurden etwas weiter rechts zwei Testpads integriert.

Der Transistor mit den vier Emittern stellt die Stromsenke am Eingang des ersten Operationsverstärkers dar.

 

 

VFC110 Die Referenz Kelvin

Das Bondpad des Referenzspannungsausgangs ist relativ massiv an den zugehörigen Schaltungsteil angebunden. Zusätzlich zweigt kurz nach dem Bondpad eine Rückleseleitung ab, die es ermöglicht Spannungsabfälle auf der Leitung auszuregeln.

 

VFC110 Die Referenz

Die Referenzspannungserzeugung beinhaltet mehrere abgeglichene Widerstände. An der linken Kante des Dies sind entsprechend auch zwei Testpads integriert.

 

VFC110 Die Referenz

Die breite Leitung des Referenzspannungsausgangs führt über einen schmalen Shuntwiderstand zu einem größeren Endstufentransistor. Die über den Shunt abfallende Spannung kann den daneben liegenden Überstromschutz auslösen, der dann den Steuerstrom des Endstufentransistors ableitet.

 

VFC110 Die Referenz

Einige Schaltungsteile der Referenzspannungserzeugung sind auf maximale Symmetrie ausgelegt. Die zwei Gruppen mit den vier kleinen Widerständen besitzen an beiden Enden Dummy-Widerstände, die für möglichst gleiche Eigenschaften sorgen. Außerdem sind zwei Transistoren zu erkennen, die jeweils aus Vierer-Gruppen aufgebaut wurden. Die über Kreuz Verschaltung der vier Transistoren garantiert ein möglichst gleiches Driftverhalten.

 

VFC110 Die Referenz buried zener

Im linken Bereich befindet sich eine etwas speziellere Struktur, die höchstwahrscheinlich die buried Z-Diode darstellt.

 

 

VFC110 Die Input resistor

Die Anforderungen an die Genauigkeit des 25kΩ-Eingangswiderstands sind relativ hoch. Der Widerstandswert hat einen erheblichen Einfluss auf das Verhältnis zwischen Eingangsspannung und Ausgangsfrequenz. Eine große Toleranz würde sich entsprechend negativ auf eine Schaltungsauslegung auswirken. Aus diesem Grund beinhaltet der Widerstand umfangreiche Abgleichmöglichkeiten. Neben parallel geschalteten Widerständen, die komplett unterbrochen werden können, erfolgt über eine größere Fläche am unteren Ende ein stufenloser Feinabgleich.

 

VFC110 Die first Opamp

Der erste Operationsverstärker, der als Integrator arbeitet, ist nicht allzu komplex aufgebaut. Das Nutzsignal durchläuft die Schaltung von oben nach unten.

 

VFC110 Die first Opamp

Am Eingang des ersten Operationsverstärkers befinden sich zwei antiparallel geschaltete Dioden, die eine Übersteuerung verhindern. Vor allem die Diode mit dem größer ausgeführten Kollektorbereich dient höchstwahrscheinlich auch als Schutz vor schädlichen Potentialen. Der Stromeingang des VFC110 ist direkt mit diesem Knoten verbunden und könnte daher durchaus Teile der Schaltung beschädigen.

Unter den Eingangstransistoren befinden sich zwei symmetrisch aufgebaute Widerstände, über die der Offset des Operationsverstärkers abgeglichen werden kann.

 

VFC110 Die first Opamp

Da der Ausgang des ersten Operationsverstärkers auf einen Pin geführt wird, muss er vor zu hohen Strömen geschützt werden. Ähnlich wie im Block der Referenzspannungserzeugung kann man auch hier einen schmalen Shunt erkennen. Fällt bei einem zu hohen Stromfluss eine ausreichende Spannung über diesen Shunt ab, so schaltet der Transistor Toc durch, der dann den Steuerstrom des Treibertransistors Td ableitet.

Die Endstufe besteht aus einem Highside-Transistor, der sich entsprechend aus dem +Vs-Potential versorgt und einer Stromsenke.

 

 

VFC110 Die second Opamp

Der zweite Operationsverstärker, der als Komparator arbeitet, ist sehr symmetrisch aufgebaut. Die Eingangssignale werden seitlich über die quadratischen Elemente zugeführt. Mittig ist eine differentielle Ausgangsstufe integriert.

Der verhältnismäßig große Schaltungsteil oberhalb des Operationsverstärkers scheint lediglich der Arbeitspunkteinstellung zu dienen.

 

VFC110 Die second Opamp

Auf Grund der exklusiv internen Verwendung des Ausgangssignals enthält die Ausgangsstufe keinen Leistungsteil. Dafür wurde sehr viel Wert auf die Symmetrie der Schaltung gelegt. Am Ausgang kamen buried Z-Dioden zum Einsatz. Nachdem diese Dioden im Prozess sowieso verfügbar waren, spricht nichts dagegen sie auch in anderen Schaltungsteile zu verwenden.

 

 

VFC110 One-Shot

Der differentielle Ausgang des zweiten Operationsverstärkers ist direkt mit der Ausgangsendstufe verbunden. Der hier zu sehende One-Shot-Schaltungsteil befindet sich nicht zwischen Operationsverstärker und Ausgangsendstufe, wie im Blockschaltbild dargestellt, sondern ist nur über einen Abzweig angebunden. Der Abzweig befindet sich im vorliegenden Bild an der oberen Kante, wo die Unterquerung der nach oben führenden Leitungstrasse erfolgt.

Die One-Shot-Schaltung verlängert den Impuls des zweiten Operationsverstärkers proportional zur Kapazität Cos. Die Kapazität Cos setzt sich zusammen aus dem im unteren Bereich integrierten Kondensator und dem optionalen, externen Cos-Kondensator.

Der One-Shot-Schaltungsteil ist sehr symmetrisch aufgebaut. Er besitzt zwei Testpads, aber keine abgleichbaren Widerstände. Wahrscheinlich wurden die Kontakte genutzt, um während des Abgleichprozesses das Schaltverhalten der vollständigen Signalkette überwachen zu können.

 

 

VFC110 Output

Oberhalb des One-Shot-Schaltungsteils befindet sich der Ausgangstransistor und die zugehörige Treiberstufe.

 

VFC110 Output

Der untere Ausgangstransistor ist etwas größer ausgeführt, um eine gewisse Stromtragfähigkeit darstellen zu können. Wie alle Transistoren befindet er sich in einer grünen, n-dotierten Fläche. Die rote, p-dotierte Fläche ist an das -Vs-Potential angebunden, wodurch sich eine Sperrschicht ergibt und die einzelnen aktiven Elemente isoliert voneinander arbeiten können. Beim Ausgangstransistor wurde neben den üblichen Strukturen zusätzlich der grüne ISO-Rahmen eingebracht und an zwei Stellen mit dem Massepotential GNDd verbunden. Dieser Rahmen muss p-dotiert sein, da er ansonsten den Ausgang dauerhaft mit dem Massepotential verbinden würde. Wahrscheinlich machen die steilen Schaltflanken eine zusätzliche Isolation des aktiven Bereichs notwendig. Ohne diese Maßnahme würde über Leckströme und die Kapazität zum Substrat ein nicht unbeträchtlicher Strom zum -Vs-Potential abfließen. Da das -Vs-Potential nur an der unteren Kante mit dem Substrat verbunden ist, kann der Stromfluss auf dem Weg befindliche Schaltungsteile negativ zu beeinflussen, was zu vermeiden ist.

 

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