Richi´s Lab

 

HP8165A

 

Der Signalgenerator HP8165A ist ein relativ weit verbreitetes Gerät, das für die damalige Zeit (1978) äußerst leistungsfähig war.
Mit der Option 002 lassen sich Frequenzsweeps realisieren. Das hier zu sehende Gerät besitzt diese Option nicht, was sich im Preis stark bemerkbar macht.

 

Hinter dem Frontpanel ist eine Platine verbaut, die die Steuerung des Geräts realisiert. Im Gerät befinden sich fünf Einsteckkarten, die Option 002 besitzt eine weitere Einsteckkarte ganz links. Der große Netztransformator im Hintergrund ist eine HP-spezifische Anfertigung. Auf den Platinen sind einige interessante Bauteile und Konstruktionen zu bestaunen.

 

Die Unterseite der Hauptplatine ist relativ gut zugänglich.
Den Lötstellen zur Folge wurden bei diesem Gerät anscheinend schon diverse Bauteile ausgetauscht.

 

Die Anzeigen des Geräts blinken beim Einschalten nur in regelmäßigen Abständen auf. Es zeigt sich, dass die großen Sprague-Glättungskondensatoren ihren Elektrolyten großteils ausgestoßen haben. Diese Kondensatoren und die zwei Pufferbatterien sind schnell ausgetauscht, stellen allerdings bereits eine gewisse Investition dar.

 

Der nächste Fehler ist ein defekter 555-Timer in der Spannungsversorgung, der erst bei Überlast die Versorgungen deaktivieren sollte, das allerdings nun laufend tut. Nach Deaktivierung der Abschaltung über den Widerstand rechts fährt das Gerät zumindest hoch.

Es zeigen sich allerdings nur neue Probleme. Viele der Tasten kleben beim Drücken fest und schließen den Kontakt nicht ordentlich. Die Tastenfelder sind mit der dahinter liegenden Platine verschweißt und daher nur schwer zu reparieren.
Des Weiteren ist der Ausgang defekt. Der Sync-Ausgang funktioniert, was darauf schließen lässt, dass immerhin nur die Endstufe beschädigt ist. In Anbetracht der speziellen Bauteile ist das allerdings problematisch genug.
Der Gehäuselüfter läuft nur sehr langsam und schwergängig an. Eine genauere Betrachtung zeigt, dass sich im Gerät nicht nur Staub abgesetzt hat, sondern überall eine klebrige Schicht anhaftet. Das scheint der Grund für den blockierten Gehäuselüfter und den schwergängigen Netzschalter zu sein. Außerdem lassen sich die Steckkarten trotz des Einsatzes von Lösungsmitteln nur mit roher Gewalt aus der Hauptplatine ziehen. Einige der Chips scheinen bereits Korrosionsspuren aufzuweisen. Entweder macht sich hier der Elektrolyt der großen Glättungskondensatoren bemerkbar oder das Gerät wurde in einer sehr ungünstigen Umgebung betrieben.
Zuletzt steigt während der Inbetriebnahme noch von einer Platine ein kleine Rauchwolke auf, deren Ursprung und Grund sich kurzfristig nicht klären lässt.

Die Gesamtheit der Auffälligkeiten und die vielen deutlich sichtbaren Nacharbeiten lassen weitere Reparaturarbeiten am Gerät als kaum sinnvoll erscheinen.
Die Überreste des Signalgenerators sollen aber zumindest noch einem lehrreichen Zweck dienen.

 

 

Eines der optisch am interessantesten Bauteile ist ein Chip mit Metallfahnen an den Enden und der Bezeichnung 1858-0030.
Dass viele Bauteile HP-Teilenummern tragen sagt im ersten Moment nichts über den Hersteller aus. In der damaligen Zeit war es bei HP üblich die verwendeten Bauteile mit eigenen Nummer bedrucken zu lassen. Das sehr spezielle Design lässt allerdings vermuten, dass es sich tatsächlich um eine von HP gefertigtes Teil handelt.

Dieser Chip ist einer der Bauteile, an denen schon ausgiebig gelötet wurden.

 

Der Chip stellt einen Teil eines Differenzverstärkers dar, der vor den Endstufen ein differentielles Signal erzeugt.
Anscheinend war es nicht möglich Transistoren auf zu treiben, die die notwendige Verstärkung beziehungsweise Grenzfrequenz bieten konnten. Daher befinden sich in diesem Package zwei parallel geschaltete Transistoren auf jeder Seite des Differenzverstärkers.

 

Das Gehäuse ist eher unkonventionell aufgebaut. Es besteht aus zwei Metallelementen, die mit einer Keramikmasse verbunden sind. Auf der Oberseite schließt ein vollflächiger Metalldeckel den Chip ab, auf der Unterseite befindet sich zusätzlich eine Metallplatte, die an die Metallfahnen an den Enden angebunden ist.

 

Die Metallplatte scheint mittig massiv mit dem unteren Metallteil des Chips verbunden zu sein.
Das Servicemanual erwähnt nichts was die Metallfahnen erklären würde. Es ist denkbar, dass darüber während des Lötvorgangs das Die gekühlt werden kann.

 

Das Gehäuse lässt sich leider nicht ganz zerstörungsfrei öffnen.

Im Inneren des Packages befindet sich ein relativ kleines Die, was wenig verwundert, da es nur vier Transistoren tragen muss.

 

Wie zu erwarten war beinhaltet der Chip vier Transistoren, deren Anordnung zu einem Differenzverstärker passt. Die Transistoren befinden sich auf dem gleichen Die in unmittelbarer Nähe, da sie so relativ gleichen Toleranzen unterliegen und die gleiche Temperatur aufweisen. Parasitäre Kapazitäten sind beim Einsatz als Differenzverstärker nicht relevant.

 

Im Untergrund sind gerade so vier Rahmenstrukturen zu erkennen, die pn-Übergänge darstellen und so die einzelnen aktiven Bereiche voneinander isolieren.

 

In der oberen linken Ecke befindet sich die Zeichenfolge "162-hp". Es handelt sich also tatsächlich um einen von HP gefertigten Halbleiter.

 

 

Der zweite spezielle Chip des Geräts besteht aus einem größeren, aber auf den ersten Blick gewöhnlicheren Keramik-Package.

 

Auch dieser Chip ist mit einer HP-Teilenummer bedruckt, sie lautet 1826-0389.

 

Der Metalldeckel, der sich üblicherweise auf der Oberseite eines Keramik-Packages befindet, ist hier auf der Unterseite des Gehäuses untergebracht.

 

Bei der Demontage des Chips zeigt sich wie marode das Gerät ist. Statt in einem Sockel steckt das Package in einzeln eingelöteten Hülsen. Durch den überall verteilten klebrigen Belag sind die Pins allerdings dermaßen in den Hülsen verklebt, dass beim Herauslösen des Chips einige Pins abreißen. Unter dem Gehäuse kommen braune Ablagerungen und grünliche Ausblühungen zum Vorschein.

 

Das Servicemanual beschreibt den Chip als aktive Pegeleinstellung. Der dargestellte Schaltungsblock ist demnach dreimal im Package enthalten. Die drei Abschwächerstufen können einzeln zugeschaltet und über einen Strom geregelt werden.

Der linke Block ähnelt dem Eingang eines klassischen Differenzverstärkers mit Emitterdegeneration und Stromsenke. Die Kollektoren der Eingangstransistoren führen jeweils zu einer Basisschaltung bestehend aus den Transistoren Q1 und Q4, die mit einem extern zugeführten konstanten Potential arbeiten und das Nutzsignal zur nächsten Stufe beziehungsweise zum Ausgang weitergeben.
Zwischen den Eingangs- und den Ausgangstransistoren befindet sich der Anschluss der Stromquelle, die die Abschwächung variabel einstellt. Sie lässt über die Transistoren Q2 und Q3 einen Strom fließen, der den Strom zum Ausgang reduziert. Weißt eine Seite auf Grund des differentiellen Signals einen niedrigeren Pegel auf, so fließt dort mehr und auf der Gegenseite weniger Strom ab, wodurch sich die gewünschte Abschwächung des differentiellen Nutzsignals einstellt. Die Diode sorgt wahrscheinlich für eine gewisse Arbeitspunkteinstellung. Der zusätzliche Transistor im Querpfad schafft einen Pfad zum Basispotential der Ausgangstransistoren Q1 und Q4 und sorgt so dafür, dass sich an deren Basis-Emitter-Strecken keine negativen Spannungen einstellen können. Das ist absolut sinnvoll, da bereits geringe negative Basis-Emitter-Spannungen zu Schäden an den Transistoren führen können. Liegt zum Beispiel aus welchen Gründen auch immer kein Eingangssignal an, so leiten die Eingangstransistoren den Steuerstrom nicht ab und es können sich problematische Basis-Emitter-Spannungen aufbauen.

 

Der Deckel des Gehäuses lässt sich problemlos öffnen.
Der Aufbau ist tatsächlich invers zu den üblichen Keramik-Packages aufgebaut. Es gibt keine offensichtlichen Gründe für diese Konstruktion.

 

Verschiedene Belichtungen liefern verschiedene Bildqualitäten.

 

Der Chip trägt die Bezeichnung hp-103. Er ist folglich auch von HP gefertigt.

Die Nomenklatur macht den Eindruck, dass die spezielleren Halbleiter damals schlicht durchnummeriert wurden.

 

  

Es scheint sich um einen Prozess mit zehn Masken gehandelt zu haben: 1, A2, 2, A3, 3, 4, 5, 6, 7 und 8.

 

Ein Anschluss, hier links mittig zu sehen, kontaktiert das Substrat und bindet es innerhalb der Schaltung an ein negatives Potential an. Bei genauerer Betrachtung zeigt sich, dass das Potential zu jedem einzelnen Transistor führt. Dort befinden sich Rahmen um den jeweiligen aktiven Bereich. Die entstehenden pn-Übergänge werden durch das negative Potential gesperrt und die ladungsfreie Zone sorgt für eine gute Isolierung der einzelnen Transistoren.

Der mittige Pin auf der rechten Seite führt zu einer Diodenstruktur, die hier gerade noch mittig am unteren Rand zu sehen ist. Darauf folgt eine weitere Diodenstruktur in der unteren Hälfte des Chips, hinter der eine Leitung zu einem anderen Pin geleitet wird, hier links unten zu sehen.
Diese zwei Anschlüsse werden beim HP8165 nicht verwendet. Es könnte sich um eine Möglichkeit handeln die Temperatur des Chips zu messen. Ebenfalls denkbar wären Schaltungsvarianten, die die Flussspannung der zwei Dioden nutzen, um Temperaturdrifts der Transistoren zu kompensieren.

Auf den Blockschaltbildern sind drei in Serie geschaltete Verstärker dargestellt. Tatsächlich handelt es sich um drei parallel geschaltete Verstärker, was nur logisch ist, da ein Signalstrom verarbeitet und ausgegeben wird. Stromquellen müssen selbstverständlich parallel geschaltet werden.
Das differentielle Eingangssignal erhält der Chip über die obersten Pads der linken und der rechten Kante. Die zweimal drei Pads an der oberen Kante stellen die Emitteranschlüsse der drei Eingangsstufenpaare dar, an die die Emitterdegenerationswiderstände und die Stromquellen der Eingangsstufen angeschlossen werden. Die äußersten, kleineren Transistoren bilden das Eingangsstufenpaar der dritten Verstärkerstufe ab. Die Eingangsstufenpaare der ersten und der zweiten Verstärkerstufe sind mit aufgedoppelten Transistoren aufgebaut. Der Schaltplan im Servicemanual liefert die Erklärung für diesen Unterschied. Während die Stromsenken der ersten und der zweiten Verstärkerstufe 72mA und 63mA einprägen, ist die Stromsenke der dritten Verstärkerstufe nur auf 32mA eingestellt.
Die hier mittig zu sehende Reihe enthält außen die Transistoren Q2, Q3 und innen die Diode und den zusätzlichen Transistor zum Schutz der Ausgangstransistoren.
Die Ausgangstransistoren selbst befinden sich hier in der untersten Zeile. Das konstante Basispotential wird von links unten zugeführt. Für jede Verstärkerstufe existiert ein eigenes Basispotential. Die Ausgangsströme aller Verstärkerstufen werden nach unten weitergeleitet und zusammengeführt.

Ganz unten auf dem Chip befindet sich eine Teststruktur bestehend aus einem Transistor und drei Testpads.

 

Die mittigen Strukturen lassen gut erkennen, dass es sich bei der Diode (links) um einen Transistor mit kurzgeschlossener Basis-Kollektor-Strecke handelt.

 

Die Balls der Bonddrähte erscheinen weniger stark aufgepresst als man das von anderen Halbleitern kennt.

 

Bei einem der Transistoren zeigt sich ein kleiner Fertigungsfehler. Das Via zwischen Metall- und Siliziumlage wurde dort nicht wie gewünscht freigeätzt. Bei allen anderen Vias erscheinen die resultierenden Einbuchtungen in der Metlallage relativ sauber quadratisch. Hier scheinen nur zwei unförmige Kanäle ausgebildet worden zu sein.
Die grundsätzliche Funktion der Schaltung ist so sicherlich auch gegeben, für die Symmetrie des Differenzverstärkers ist der höhere Übergangswiderstand aber vermutlich nicht optimal.

 

 

Auf der Steuerungsplatine sind 16-Kilobit-ROM-Bausteine eingelötet, in denen sich die Software des Signalgenerators befindet. Es handelt sich um die maskenprogrammierten MCM6590 von Motorola.

 

An der rechten und der linken Kante des Dies sind die insgesamt acht Ausgangstreiber des Datenbusses platziert. Die restlichen Pins, darunter die zwölf Adressleitungen, verteilen sich um den Umfang des Chips. In der Mitte befindet sich der eigentliche Speicherbereich.

 

An der oberen Kante des Chips ist die Ausleselogik platziert. Die Zeilen im unteren Bereich zeigen deutlich die binäre Zählweise.

 

Im Speicherbereich lassen sich ansatzweise die einzelnen Bits erkennen.

 

 

Die GPIB-Schnittstelle ist als eigene Platine ausgeführt und enthält zwei sogenannte "Peripheral Interface Adapter" vom Typ MC6820. Hier sind sie mit den HP-Teilenummern 1820-1481 bezeichnet.

 

Am Rand des Chips ist gerade so die Bezeichnung "MC6820A" zu erkennen.

Ein Großteil der Siliziumfläche des MC6820 belegen die Eingangs- und Ausgangspufferstrukturen. Oben mittig ist der Masseanschluss des Pins 1 zu erkennen, der den äußeren Metallrahmen des Chips kontaktiert. Nach links folgen acht Bonddrähte, die die Pins PA0 bis PA7 anbinden. Darunter befinden sich die zugehörigen Pufferstrukturen. Eine dieser Pufferstrukturen ist bereits in der Reihe parallel zur linken Kante untergebracht. Nach unten folgen die Bonddrähte der Pins PB0 bis PB7. Es ist leicht erkennbar, dass die Pufferstrukturen hier größer sind als beim PA-Port.

Ungefähr gegenüber des Masse-Anschlusses befindet sich der massiv angebundene Pin 20, über den das Versorgungspotential eingespeist wird.

 

Die Detailaufnahme zeigt die Unterschiede zwischen dem Port PA und dem Port PB.
Die Ausgänge des PA-Ports (oben) sind nicht tristate-fähig. Die Endstufe ist daher als Lowside-Transistor ausgeführt, der gut erkennbar ist. Vermutlich darunter befindet sich ein Pull-Up-Widerstand, der den High-Pegel am Ausgang einstellt.
Bei den Ausgängen der PB-Ports handelt es sich dagegen um Tristate-Endstufen, die entsprechend als Push-Pull-Endstufen ausgeführt wurden. Im linken Teil der Ausgangsstufe befindet sich der Lowside-Transistor, während rechts davon der kleinere Highside-Transistor erkennbar ist, dessen Struktur sich invers zum Lowside-Transistor darstellt.

 

Der Port für den lokalen Datenbus ist an der rechten Kante aufgereiht. Er besitzt ebenfalls Tristate-Ausgänge, die allerdings wiederum anders aussehen als die Ausgänge an den Ports PA und PB. Hier befindet sich der Lowside-Transistor rechts, der Highside-Transistor links der länglichen, mit dem Pad kontaktierten Metallstruktur.

 

Der mittlere Teil des Dies müsste sechs Register enthalten. Direkt identifizieren lassen sich diese nicht, es sind aber mehrere sich mehr oder weniger gleich wiederholende Strukturen zu erkennen, die vermutlich diese Aufgabe übernehmen.

 

zurück