Die amerikanische THAT Corporation ist ein sehr kleiner Halbleiterhersteller, der sich auf Audio-Schaltkreise spezialisiert hat. THAT wurde 1989 gegründet und besitzt seit 1999 eine eigene Halbleiterfertigung. Der THAT 1240 wird mit einem 40V-Bipolar-Prozess gefertigt, der eine dielektrische Isolation zwischen den aktiven Elementen bietet, wodurch sich komplementäre Transistoren mit vergleichbaren Eigenschaften realisieren lassen. Die Spannungsfestigkeit der Isolation beträgt 200V. Außerdem ermöglicht der Prozess abgleichbare SiCr-Widerstände. Die Fertigung erfolgt auf 100mm-Wafern mit einer minimalen Strukturbreite von 3µm.
Der THAT 1240 enthält einen sogenannten Balanced Line Receiver, der darauf optimiert ist ein differentielles Signal entgegen zu nehmen und dabei Gleichtaktstörungen möglichst stark zu dämpfen. Diese Eigenschaft ist für diverse Anwendungen nützlich, unter anderem für den Audiobereich.
Als Balanced Line Receiver enthält der THAT 1240 neben einem Operationsverstärker vier abgeglichene Widerstände. Die Widerstände dienen als Eingangswiderstände und Rückkopplungswiderstände. Um eine hohe Gleichtaktdämpfung erreichen zu können, ist es enorm wichtig, dass die Verhältnisse der Widerstände R1/R2 und R3/R4 möglichst gleich sind. Die Integration und der Abgleich auf dem Chip ermöglicht es sehr geringe Toleranzen zu erreichen. Das Datenblatt spezifiziert +/-0,005%. Neben dem THAT 1240 existiert noch der THAT 1243 und der THAT 1246. Während der THAT 1240 als Puffer dient, bieten die anderen beiden Bausteine je nach Verschaltung +/-3dB beziehungsweise +/-6dB.
Mit einer Versorgungsspannung zwischen 7V und 36V nimmt der THAT 1240 typischerweise 2mA auf. Die Gleichtaktunterdrückung wird bei 60Hz mit 90dB angegeben. Auch die Dämpfung von Schwankungen der Versorgungsspannung ist mit 90dB spezifiziert. Mit einer THD von typischerweise 0,0006% ist die Signalverzerrung sehr niedrig. Die Slewrate beträgt 12V/µs und die Bandbreite mindestens 8,6MHz. Der Ausgang kann bis zu 25mA treiben und erlaubt kapazitive Lasten bis 300pF.
Die Abmessungen des Dies betragen 1,8mm x 1,5mm. In der rechten oberen Ecke findet sich der Schriftzug THAT. Die Zahlen 651367-21 in der rechten unteren Ecke könnten eine interne Projektbezeichnung darstellen. In drei Ecken befinden sich elektrisch inaktive, quadratische Geometrien, die wahrscheinlich beim Abgleich genutzt werden, um die Orientierung des Dies erkennen zu können. In der Mitte des Dies findet sich ein Copyright, das mit den Zahlen 01 vermutlich auf das Jahr 2001 verweist.
Über die obere und die untere Kante verteilt finden sich die Maskenrevisionen von 10 Masken. Manche Masken lassen sich durch ihre optische Erscheinung sehr gut ihrer Funktion zuordnen. Den abgebildeten Zahlen nach zu urteilen, könnte der Prozess mit bis zu 18 Masken arbeiten. Die hohe Anzahl lässt sich unter anderem durch die dielektrische Isolation der aktiven Bereiche erklären. Bevor man die ersten aktiven Strukturen erzeugt, muss man die isolierten Bereiche aufbauen, wofür man bereits Masken benötigt. Im TP1322 ist dargestellt, wie eine dielektrische Isolation aufgebaut wird. Dazu kommen die Masken für die abgleichbaren Widerstände.
Sowohl beim Ref-Potential als auch beim Sense-Potential hat man zwei Bonddrähte zur Anbindung an die Pins verwendet. Es bleibt unklar, warum diese Maßnahme notwendig war. Man hat sich sicher nicht ohne Not für die doppelten Bonddrähte entschieden. Die Bondpads benötigten so deutlich mehr Fläche auf dem Silizium und der Bondvorgang nimmt mehr Zeit in Anspruch.
Im rechten Bereich befindet sich der eigentliche Operationsverstärker (rot). Die Arbeitspunkteinstellung erfolgt über einen Schaltungsteil an der linken Kante (blau). Zwischen den zwei Blöcken befinden sich die Eingangswiderstände und Rückkopplungswiderstände (gelb). Alle Bondpads sind mit Schutzstrukturen ausgestattet (grün).
Das Datenblatt des THAT 1240 zeigt den Aufbau der Schutzstrukturen an den Bondpads. An den Pins Ref und Sense befinden sich gewöhnliche Schutzdioden, die mit den Versorgungspotentialen verbunden sind. An den Eingängen hat man dagegen Z-Dioden eingesetzt, die laut Datenblatt erst bei 50V durchbrechen und so einen weiten Eingangsspannungsbereich zulassen. Hier ist die dielektrische Isolation ein großer Vorteil. Sie erlaubt grundsätzlich Spannungen bis 200V. Solange die Eingangswiderstände den Stromfluss ausreichend begrenzen, sind hohen Spannungen kein Problem für die Schaltung. Dies ist eine besonders nützliche Eigenschaft bei Eingangsschaltungen von Audio-Equipment, wo man neben elektrischen Entladungen auch mit diversen Störungen und Fehlgebrauch rechnen muss.
Die Schaltung zur Arbeitspunkteinstellung besitzt einige ungenutzte Schaltungsteile.
Die Eingangs- und Rückkopplungswiderstände sind sehr groß ausgeführt, was einen sehr genauen Abgleich ermöglicht. Hier handelt es sich um vier 9kΩ-Widerstände, wobei die genauen Werte kaum relevant sind. Die Verhältnisse der Widerstände R1/R2 und R3/R4 sind kritisch und werden entsprechend genau abgeglichen. Im Datenblatt findet sich extra der Hinweis, dass die absoluten Widerstandswerte zwischen unterschiedlichen Herstellungslosen um bis zu +/-30% schwanken können. Für den THAT 1243 und den THAT 1246 benötigt man Widerstandswerte von 6k und 12k. Es ist durchaus denkbar, dass diese beiden Widerstandswerte aus den gleichen Strukturen mit Hilfe des Abgleichs erzeugt werden.
Es fällt auf, dass die Leitung zwischen dem Bondpad des Potentials IN+ und dem Widerstand R3 (links unten) viele Schleifen beschreibt. Das war notwendig, um die Zuleitungen von IN+ und IN- anzugleichen. Die Leitung zwischen IN- und R1 (links oben) ist zwar sehr kurz, die Leitung zwischen R1 und dem Eingang des Operationsverstärkers ist aber sehr lang.
Der eigentliche Operationsverstärker ist nicht übermäßig komplex. Eine symmetrische Anordnung der Komponenten im Eingangsbereich reduziert Drifteffekte, die sich durch Temperaturgradienten ergeben. Die Verfügbarkeit von vertikalen PNP-Transistoren hat den Entwurf der Schaltung sicher vereinfacht. Vertikale PNP-Transistoren bieten deutlich bessere Eigenschaften als die lateralen PNP-Transistoren, die in einfacheren BJT-Prozessen verwendet werden müssen. Im unteren Bereich befinden sich zwei kleinere abgleichbare Widerstände, von denen der linke auch Spuren eines Abgleichs trägt.
Analysiert man die Schaltung so ergibt sich folgendes Bild und die Funktionsweise des Operationsverstärkers wird verständlich. Die Widerstände R9 und R12 können abgeglichen werden und erlauben es den Offset einzustellen.
