Richi´s Lab

2"-Wafer - A210 - 6W-Audio-Verstärker

A210-Wafer

Dieser 2"-Wafer enthält den 6W-Audio-Verstärker A210. Er stammt wie der D220-Wafer entweder aus dem Halbleiterwerk Frankfurt Oder oder aus Dresden (Arbeitsstelle für Molekularelektronik bzw. Arbeitsstelle für Molekularelektronik Dresden bzw. VEB Zentrum für Forschung und Technologie Mikroelektronik).

Da das Die des A210 größer ist als das des D220 finden auf diesem Wafer nur noch 532 Schaltkreise Platz.

 

A210-Wafer

A210-Wafer

Wie der D220-Wafer trägt auch dieser Wafer eine Beschriftung an der unteren Kante. Es ist gut denkbar, dass es sich um ein Ausschussteil handelt, da die Strukturen klar erkennbar schräg zur unteren Ausrichtungskante aufgebracht wurden.

 

A210-Wafer

Mittig ist eine pfeilförmige Struktur abgebildet, die die Ausrichtung der Masken erleichtern könnte. Gleichmäßig auf dem Die verteilt befinden sich sechs Teststrukturen, die es ermöglichen Prozessabweichungen über die ganze Fläche zu überwachen.

 

A210-Wafer Typbezeichnung

Unterhalb der pfeilförmigen Struktur befindet sich die Zeichenfolge "01 A210", die vermutlich auf die erste Revision des Verstärkers A210 verweist.

Die einzelnen Dies nehmen eine Fläche von 1,92mm 1,62mm ein, die Frässtraßen haben eine Breite von ungefähr 80µm und sind damit etwas schmaler als beim D220-Wafer.

 

A210 Application

Der A210 liefert laut Datenblatt bis zu 5,8W Ausgangsleistung (10% Klirr). Eine einfache Versorgungsspannung zwischen 4V und 20V ist ausreichend, allerdings benötigt der A210 einen Koppelkondensator am Ausgang. Der maximal zulässige Ausgangsstrom liegt bei 2,5A. Das Datenblatt definiert zusätzlich einen maximal zulässigen Stoßstrom von 3,5A.

 

A210 Blockschaltbild

Das Datenblatt erklärt weiter, dass der A210 aus einem Vorverstärker und einem Endverstärker besteht. Die Massepotentiale der beiden Verstärker sind getrennt aus dem Gehäuse heraus geführt, so dass sie sich möglichst wenig gegenseitig beeinflussen. Außerdem wird eine Wärmeschutzschaltung erwähnt und eine Arbeitspunkteinstellung mit einer sogenannten automatischen Mittenspannungsregelung, die sich über eine Bootstrapschaltung am Pin 4 versorgt.

 

A210 Innenschaltplan

Der im Datenblatt abgedruckte Schaltplan ist nicht sehr übersichtlich, was auch an der für heutige Verhältnisse teilweise sehr speziellen Verschaltung liegt.

Der dunkelgrüne Pfad generiert über die Komponenten D3, D2, R4, R5, T4, R3 und T5 eine einigermaßen konstante Spannung. Ein an den Pin 7 anzuschließender Kondensator stabilisiert diese Spannung. Die erzeugte Referenzspannung lässt in den Transistoren T3 und D1 einen konstanten Strom fließen. Der hellblaue Stromspiegel sorgt dafür, dass in den Transistoren T9 und T12 derselbe Strom fließt. Versorgt werden diese Stromquellen aus dem höheren Bootstrap-Potential, wodurch sich der Highsidetransistor der Endstufe besser aussteuern lässt.

Die Eingangsstufe ist rosa dargestellt. Der Transistor T1 nimmt das Eingangssignal entgegen und steuert den Transistor T2 aus. Der Transistor T2 arbeitet mit der Stromsenke T3 und steuert die nächste, gelb markierte Verstärkerstufe aus. Über den Pin 5 kann die Frequenzkompensation eingestellt werden.
Interessant ist an dieser Stelle die Rückkopplung über den Widerstand R2. Diese Rückkopplung wirkt auf den Emitter des Transistors T2 ein. Über den Pin 6 lässt sich der Frequenzgang der Rückkopplung beeinflusst.

Der Transistor T6 realisiert mit der Stromquelle T9 die Spannungsverstärkung des A210. Heute findet sich bei den meisten Audio-Verstärkern einen Kondensator zwischen Basis und Kollektor des Transistors, der die Spannungsverstärkung realisiert. Ein solcher Kondensator reduziert die Bandbreite des Verstärkers, sorgt aber mit seinem relativ hohen Wert dafür, dass sich die spannungsabhängige Kapazität zwischen Basis und Kollektor weniger stark auswirkt. Die Spannungsabhängigkeit führt zu Nichtlinearitäten im Übertragungsverhalten. Entweder konnte man sich zum Zeitpunkt der Entwicklung eine Reduktion des Frequenzgangs nicht erlauben oder man wollte sich den großen Flächenbedarf einen Kondensators sparen oder der Einfluss war ganzheitlich gesehen nicht relevant.

Der orange Schaltungsteil stellt den Übertemperaturschutz dar. Die Z-Diode D5 erzeugt über den Transistor T8 eine Spannung, die der Spannungsteiler R7/R8 so herunterteilt, dass der Transistor T7 gerade nicht leitend wird. Erhöht sich die Temperatur, so erhöht sich die Spannung der Z-Diode und die Flussspannungen der Basis-Emitter-Strecken reduzieren sich. An der Basis von T7 stellt sich somit eine höhere Spannung ein, während T7 selbst schon früher leitend wird und den Arbeitsstrom der Spannungsverstärkungsstufe zum Massepotential ableitet. Da der Verstärker am Ausgang wechselspannungsgekoppelt ist, führt ein dauerhafter Low-Pegel dazu, dass kein Strom mehr zur Last fließt.

Der rote Highsidetreiber besteht aus einem Treiber- und einem Endstufentransistor. Der Treibertransistor wird aus dem Bootstrap-Potential versorgt, was einen weiteren Aussteuerungsbereich ermöglicht.

Der lila Schaltungsteil bildet die Lowside-Endstufe ab, wo der Transistor T15 die Endstufe selbst und der Transistor T11 den Treiber darstellt. Der Transistoren T10 puffert den Strom der Stromquelle T12 aus der normalen Versorgung, was das Bootstrap-Potential entlastet.

Die Dioden D6, D7 und D8 und die Diode D4 im Highside-Pfad optimieren vermutlich den Übergabebereich zwischen den beiden Endstufentransistoren.

 

A210 Die

Wie beim D220-Wafer fehlt auch hier die Metalllage. Abgesehen davon scheint der Wafer alle Fertigungsschritte durchlaufen zu haben. Durch die fehlende Metallisierung lassen sich die aktiven Elemente und Durchkontaktierungen zur Metalllage (hellgrau) sehr gut erkennen. Auf dem Die sind einige unterschiedliche Transistoren und mehrere Widerstände integriert.

 

A210 Teststruktur

Die Teststrukturen sind überraschenderweise zu breit für den Raster des Wafers. Die Rahmenstruktur erstreckt sich auf zwei Seite in die Frässtraßen hinein. Es scheint so, als ob die Teststrukturen von einem anderen Projekt mit anderen Die-Größen übernommen wurden. Dafür spricht auch, dass es sich um zwei Blöcke handelt, die vermutlich ursprünglich auf zwei Dies eines Wafers verteilt waren.

Der linke Block enthält nur Widerstände, während der rechte Block zusätzlich vier unterschiedliche Transistoren bietet.

 

Transistor Aufbau

Zur Analyse der integrierten Komponenten hilft es sich den mutmaßlichen Aufbau in Erinnerung zu rufen, wie er beispielsweise im Buch Mikroelektronik von W. Glaser und G. Kohl (1970, Naumburg) abgedruckt und im Rahmen der Analyse des Differenzverstärkers IK72 beschrieben ist.

 

A210 Teststruktur Detail

Der linke Teststrukturenblock besitzt einige über den Umfang verteilte Bondpads und bietet darüber die Möglichkeit die Eigenschaften der verschiedenen Schichten zu vermessen. An der oberen Kante kann über R1 der Widerstand der n-dotierten Kollektorschicht vermessen werden.

Das Element R3 kontaktiert die tiefer liegende, hoch n-dotierte Schicht, die auf Grund ihrer Tiefe relativ weiche Kanten an der Oberfläche abbildet.

Im Bereich R2 befindet sich ein Streifen der vergrabenen n-Schicht, auf dem anscheinend ein dünnerer Streifen aufgebracht wurde. Der Farbe nach handelt es sich weder um das Basis- noch das Emittermaterial, die beide noch folgen. Es könnte sein, dass hier die Isolationsdiffusion isoliert eingebracht wurde, um auch die Eigenschaften dieser Strukturen vermessen zu können. Ein zusätzliches Fenster in der isolierenden Siliziumoxidschicht ermöglicht es das umgebende Material zu kontaktieren und auf ein definiertes Potential zu legen.

Im Bereich R4 kann ein Streifen der Basisdotierung vermessen werden. Im Bereich R5 ist ein Streifen des Basismaterials mit der Emitterdotierung (rosa) überlagert, wodurch sich ein sogenannter pinch-resistor ausbildet. Die inverse Dotierung führt dazu, dass sich der Bereich, in dem der Strom fließen kann, einengt und so der Widerstand steigt. Das Emittermaterial kann über einen Kontakt auf ein definiertes Potential festgelegt werden. Der Bereich R6 enthält einen weiteren Streifen des Basismaterial der vier Kontaktmöglichkeiten bietet.

Die Bereiche R7 und R8 enthalten jeweils einen Streifen des Emittermaterials (rosa), die durch die hohe Emitterdotierung einen relativ niedrigen Widerstand aufweisen. Um das n-dotierte Emittermaterial von der Umgebung zu isolieren, befinden sich die Streifen jeweils auf einer Fläche des invers dotierten Basismaterials.

 

A210 Teststruktur Detail

Der rechte Block der Teststrukturen enthält verschiedene Transistoren. T1 stellt den klassischen NPN-Transistor dar. Die gesamte Fläche, in der sich der Transistor befindet, stellt den n-dotierten Kollektor dar, der über die unterste Durchkontaktierung angebunden wird. Der Schatten, der sich von der Durchkontaktierung nach oben erstreckt, ergibt sich durch die hochdotierte Kollektorzuleitung im Untergrund. Die Basisfläche stellt sich mit einem kräftigen Grün dar. In der Basisfläche ist gerade noch eine kleine Emitterfläche mit ihrer Durchkontaktierung zu erkennen.

Nach rechts folgen die drei aus dem Basismaterial ausgeformten Widerstände R1, R2, R3 und der pinch-resistor R4. Eventuell kamen diese Widerstände beim Test der Transistoren zum Einsatz. Der auffällig große Transistor T2 befindet sich im selben aktiven Bereich wie die Widerstände.

Der Transistor T3 ist ein PNP-Transistor, wo der n-dotierte aktive Bereich die Basis darstellt. Darin befindet sich als Kollektor ein dunkelgrünes, p-dotiertes Rechteck, das beim NPN-Transistor die Basis realisiert. Der Kollektor besitzt drei runde Ausschnitte, über die die grundlegende Fläche als Basis wirksam werden kann. Kreisförmige, dunkelgrüne, p-dotierte Elemente stellen die Emitter dar.

Das Element T4 scheint eine spezielle Diode zu sein. Den n-dotierten Bereich realisiert das rote Emittermaterial. Zwischen Emitter- und Basismaterial ist allerdings noch ein schmaler Ring des schwächer n-dotieren Materials zu erkennen. Wahrscheinlich garantiert der schwächer dotierte Ring eine höhere Durchbruchspannung. Grenzflächen zwischen Basis- und Emitterflächen brechen üblicherweise bereits bei Spannngen von 5V durch.

 

 

A210

Der A210 befindet sich als A210E in einem speziellen DIP-Gehäuse mit zwölf Anschlusspins und zwei Kühlfahnen. Als A210K konnte der Verstärker mit einem montierten Kühlkörper bezogen werden.

 

A210 Die

A210 Die

Mit der Metalllage kann man einen genaueren Blick auf das tatsächliche Design des Verstärkers werfen. Das Die hat leider etwas Schaden genommen.

 

A210 Die Detail

Die Typbezeichnung 07A210 lässt vermuten, dass es sich bereits um eine siebte Revision des A210 handelt.

An den Kanten des Dies ist zu erkennen, dass bei dieser Generation bereits Strukturen in den Frässtraßen platziert wurden. Auf dem obigen Wafer waren diese Bereiche noch frei.

 

A210 Die Detail

A210 Die Detail

Ein weiterer Unterschied zum A210-Wafer sind die Maskenrevisionen, die an der unteren Kante dargestellt sind. Es kamen demnach acht Masken zum Einsatz.

Die Zahl 1 an der linken Kante markiert das Bondpad des Pin 1.

 

A210 Die

Die einzelnen Komponenten lassen sich gut auf das Die übertragen. Dabei fallen einige Bauteile auf, die im Schaltplan nicht erwähnt werden. Die Widerstände Rx und Rz bringen jeweils einen kleinen Widerstand in die Emitterzweige der Transistoren T13 und T6 ein. Als minimale lokale Rückkopplung linearisieren sie vermutlich das Verhalten der beiden Transistoren.

 

A210 Die Testpunkt

Im Inneren des Dies befindet sich ein Testpunkt, der während der Produktion kontaktiert wurde. Der Testpunkt bietet einen Abgriff innerhalb des Widerstands R7 und ermöglicht es so die Übertemperaturabschaltung zu vermessen. Das Vermessen der Schaltung ist sinnvoll, da man Produktionsfehler an dieser Stelle erst bei sehr hohen Temperaturen erkennen würde. Will man die Verstärker nach der Produktion nicht bis zur Abschalttemperatur aufheizen, so kann man alternativ den Arbeitspunkt der Schaltung vermessen.

Die drei Durchkontaktierungen in der Metallfläche des Testpunkts überbrücken einen Teil des Widerstands R7. Vermutlich hat man sich hier die Möglichkeit vorgehalten über eine Variation des Widerstandwerts die Abschalttemperatur anzupassen.

 

A210 Die Detail

A210 Die Detail

Auf der linken Seite des Dies befinden sich die zwei großen Endstufentransistoren. Im Grundsatz handelt es sich um den bekannten Aufbau, der so weit vergrößert wurde, dass er die notwendige Stromtragfähigkeit darstellen kann. Die Grundlage, den Kollektor, bildet die bräunliche, n-dotierte Fläche. Die fünf länglichen Kollektoranschlüsse befinden sich über stärker n-dotierten, grau dargestellten Bereichen, die den Übergangswiderstand reduzieren. Unter dem aktiven Bereich sind die Umrisse der vergrabenen, stark n-dotierte Fläche zu erkennen, die den Kollektorstrom weiterleitet.

Auf der Kollektorschicht befindet sich die grüne, p-dotierte Basisschicht, die zwischen die Kollektoranschlüsse führt und dort die Emitterflächen umgibt. Um den Widerstand der Zuleitungen zu den Basisbereichen gering zu halten, führen von den unten liegenden Kontakten graue, stark n-dotierte Flächen bis zu den aktiven Bereichen, wo sie über ein Stück der Metalllage mit dem p-dotierten Basismaterial verbunden werden.

Die grauen, stark n-dotierten Rechtecke innerhalb der Basisflächen stellen die Emitter des Transistors dar.

 

A210 Die Detail

A210 Die Detail

Der PNP-Transistor T11 dient als Treibertransistor für die Lowside-Endstufe und muss entsprechend eine gewisse Stromtragfähigkeit aufweisen. Bei den NPN-Transistoren kann die Basisweite über die Diffusionsprozesse relativ einfach und vor allem dünn eingestellt werden, was für gute Spezifikationen sorgt. Will man für einen PNP-Transistor keine zusätzlichen Prozessschritte einführen, so muss man sie nach dem weiter oben beschriebenen Muster aufbauen. Das führt allerdings dazu, dass die relevante Basisschicht, der Ring um den Emitter, mindestens so dick ist wie die minimale Strukturbreite. Die entsprechend schlechteren elektrischen Eigenschaften führen dazu, dass der PNP-Treibertransistor T11 neben den Endstufentransistoren den größten Flächenanteil auf dem Die einnimmt. Der ebenfalls als Treibertransistor arbeitende NPN-Transistor T13 ist dagegen kaum größer als die restlichen Transistoren.

Unter dem Transistor T11 ist noch einmal die graue, stark n-dotierte Schicht zu sehen. Sie dient der besseren Kontaktierung der braunen n-dotierten Schicht und zur Weiterleitung des von unten eintreffenden Potentials.

Der Transistor T6 und der weiter unten folgende Transistor T7 befinden sich innerhalb des selben aktiven Bereichs, wodurch ihre Kollektoren auch ohne diskrete Verbindungsleitungen direkt mit der Basis des Transistors T11 verbunden sind.

 

A210 Die Detail

A210 Die Detail

Die Diodenkette D6, D7, D8 zeigt sich auf dem Die etwas komplexer als auf dem Schaltplan dargestellt. Die Dioden werden durch Transistoren dargestellt. Die Diode D8 überbrückt der im Schaltplan nicht eingezeichnete Widerstand Ry. Die Basis-Kollektor-Strecke des Transistors wird ebenfalls genutzt und bildet die Diode Dy ab. Dazu kommt noch die Diode Dx.

Während hinter den Dioden D7, D8 und Dy jeweils ein NPN-Transistor steht, kamen bei den Dioden D6 und Dx PNP-Transistoren zum Einsatz. Aufgrund der höheren Emitter-Dotierung der NPN-Transistoren, kann man davon ausgehen, dass die Durchbruchspannungen der Dioden D8 und D7 eher niedrig sind im Vergleich zu den Dioden D6 und Dx. Die Diode Dy weist als Basis-Kollektor-Diode ebenfalls eine hohe Durchbruchspannung auf.

 

A210 Die Dioden

Der Sinn hinter den zusätzlichen Elementen erschließt sich nicht sofort. Der hier zu sehende Schaltplanausschnitt ist einigermaßen passend zur Platzierung auf dem Die gezeichnet. Im A210-Schaltplan ist die Diodenkette um 180° gedreht.

Man könnte vermuten, dass es sich um einen Schutz des Highsidetransistors handelt. Rückspeisungen aus der Last könnten dort die Basis-Emitter-Strecke durchbrechen lassen. Gäbe es für solche Rückspeisungen eine Überbrückung der Diodenkette, so könnte man verhindern, dass die Spannung nicht auf problematische Werte ansteigt. Geht man davon aus, dass der Widerstand Ry niederohmig genug ist, dann bleibt aber immernoch die Diode Dy, die mit ihrer hohen Durchbruchspannung sicher keinen Schutz darstellt.

Wahrscheinlicher ist, dass die Diode Dx die Fläche um D8 auf ein definiertes Potential legt. Würde man das rechte Potential ohne die Diode Dx zur Fläche von D8 führen, so bestünde wahrscheinlich die Gefahr, dass bei Spannungstransienten die Diode D8 durchbricht.

 

A210 Die Detail

Die Stromspiegel befinden sich in der unteren rechten Ecke des Dies und teilen sich eine Kollektorfläche.

 

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