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Linear Technology LM399 (HP 1826-1249)

LM399AH

LM399AH

Unter der HP-Teilenummer 1826-1249 verbirgt sich die Referenzspannungsquelle LM399AH. Die Variante mit dem A stellt bereits die bessere Sortierung dar. Laut der HP-Übersetzungstabelle wurden die 1826-1249 zusätzlich selektiert. Die Spannungsquelle befindet sich in einem Kunststoffgehäuse, das neben der HP-Teilenummer das Linear-Technology-Logo und den Date-Code 8526 trägt.

Die LM399 ist eine sogenannte Shunt-Reference. Sie arbeitet in Reihe mit einem externen Widerstand, durch den sie so viel Strom fließen lässt, dass sich an ihren Anschlüssen 6,95V einstellen. Das Datenblatt gibt einen maximalen Temperaturdrift von 2ppm/°C an. Diesen niedrigen Wert ermöglicht eine integrierte Heizung, die den Baustein auf einer bestimmten Temperatur hält. Der Langzeitdrift liegt bei 8ppm (typ). Die Rauschspannung beträgt nur 7µVrms (typ).

Die LM399 wurde von Tesla unter der Bezeichnung MAC199 nachgebaut. Analog Devices hat mit der ADR1399 einen Nachfolger für die LM399 entwickelt.

 

LM399AH Package

Der Deckel des Kunststoffgehäuses lässt sich problemlos aufhebeln. Ein kleiner Stift auf der Unterseite des Deckels sorgt dafür, dass die eigentliche Referenzspannungsquelle immer etwas Abstand zum Deckel hält. Das Gehäuse besteht aus zwei Kunststoffzylindern, was die thermische Entkopplung zur Umgebung verbessert. Schwankungen der Umgebungstemperatur beeinflussen so die Temperatur der Referenz bedeutend weniger.

 

LM399AH

Das eigentliche TO-46 Gehäuse der Referenzspannungsquelle ist relativ klein, was für eine geringe thermische Trägheit und damit ein schnelles thermisches Einschwingverhalten sorgt. Das Datenblatt spezifiziert die Aufheizzeit mit drei Sekunden.

Die Beschriftung KAAAAX lässt sich nicht zuordnen. Vielleicht verbirgt sich dahinter die von HP angegebene Sortierung. Der Datecode lautet hier wie auf dem Kunststoffgehäuse 8528.

 

LM399AH Die Bonds

Das Gehäuse bietet gerade genug Raum für das Die, das mit drei Bonddrähten an drei der Pins und mit einem vierten Bonddraht am Gehäuse angebunden ist. Der vierte Pin kontaktiert auf der Unterseite direkt das Gehäuse.

 

LM399AH Die

Das Die trägt die Bezeichnung 199I, was für die Basisvariante LM199 steht, die sich aber nur durch den Einsatztemperaturbereich unterscheidet.

 

LM399AH Die Detail

LM399AH Die Detail

An der unteren Kante sind die Revisionszähler von sechs Masken abgebildet. Eine weitere Maske findet sich neben der Bezeichnung 199I. Der Pfeil soll nicht auf die Maskenrevision hinweisen, sondern markiert den Pin 1.

 

LM399AH Schaltplan Shuntregler

Das Datenblatt enthält zwei Schaltpläne, die hier zum besseren Verständnis eingefärbt wurden. Der obige Schaltplan zeigt den Aufbau der Referenzspannungsquelle. Der noch folgende Schaltplan zeigt den geregelten Heizer, der die Temperatur des Halbleiters konstant hält und so Temperaturdrifteffekte dämpft.

Der Transistor Q11 bildet mit dem Transistor Q12 eine Endstufe (blau). Der über diese Endstufe fließende Strom ermöglicht es, in Kombination mit einem externen Widerstand, die gewünschte Spannung zwischen den Pins 1 und 2 einzuregeln. Die Transistoren Q11 und Q12 bilden ein Sziklai-Paar. Es stellt die komplementäre Variante der Darlingtonschaltung dar und sorgt wie diese für eine hohe Stromverstärkung. Die RC-Kombination zwischen den beiden Transistoren wirkt sich dämpfend auf hohe Frequenzen aus und reduziert so die Gefahr von Schwingungen.

Der 50Ω-Widerstand (grün) stellt für die Sziklai-Endstufe den Emitterwiderstand dar. Zwar befindet sich der Emitter des Leistungstransistors Q11 auf der anderen Seite der Endstufe, die Sziklai-Verschaltung sorgt aber dafür, dass sich der obere Knoten der Endstufe wie ein Emitter verhält. Der 50Ω-Widerstand verbessert so das Regelverhalten. Der Transistor Q10 (grün) schützt den 50Ω-Widerstand vor Überlastung. Fällt zuviel Spannung am Widerstand ab, so wird der Transistor leitend, bildet einen Strombypass und begrenzt damit die Verlustleistung am Widerstand.

Der Transistoren Q14 (rot) stellt den Treiber für die Endstufe dar. Die RC-Tiefpass begrenzt den Frequenzgang des Treibers.

Die der LM399 zugrunde liegende Referenzspannung erzeugt die 6,3V-Z-Diode Q3 (dunkelgrün). Der 2kΩ-Widerstand sorgt für den Stromfluss durch die Z-Diode, der notwendig ist, damit sich eine saubere Referenzspannung einstellt.

Die an den äußeren Pins anliegende Referenzspannung setzt sich aus der 6,3V-Referenzspannung der Z-Diode und der Strecke 10k / Q13 beziehungsweise Q16 / 2k6 zusammen. Da die Schaltung auf einer konstanten Temperatur gehalten wird, sind Temperaturdrifts eher unkritisch. Steigt die außen anliegende Spannung über die Sollspannung, so fällt am 2k-Widerstand der Z-Diode eine höhere Spannung ab, der Transistor Q13 wird stärker ausgesteuert und in der Folge fließt mehr Strom über die Sziklai-Endstufe. Der höhere Strom führt zu einem höheren Spannungsabfall am externen Widerstand und reduziert so die Spannung an den Anschlusspins wieder auf den Sollwert.

Der Strom durch den Transistor Q16 (rosa) ist genauso wie der Strom durch den Transistor Q13 von der am Baustein abfallenden Spannung abhängig. Der Kollektorstrom des Transistors Q16, wird über den Stromspiegel Q14/Q15 (rosa) zum Endstufentreiber Q13 geleitet. Man kann die Emitterflächen und die Emitterwiderstände der Transistoren so einstellen, dass bei einem steigenden Strom durch den Transistor Q13 ab einem gewissen Punkt der Strom durch den Transistor Q14 weniger stark ansteigt und sich ein Gleichgewichtszustand zwischen Q13 und Q14 ergibt. Das ermöglicht es einen optimalen Arbeitspunkt einzustellen.

 

LM399AH Die Schuntregler

Der Shuntregler befindet sich im oberen Teil des Dies. Die Bauteile des Schaltplans lassen sich gut auf diese Strukturen übertragen. Dabei finden sich allerdings kleinere Unterschiede.

Am Bondpad des Massepotentials befindet sich ein als Diode verschalteter Transistor (grün). In den Blockschaltbildern ist diese Diode dargestellt. Sie verbindet das Bezugspotential des Shuntreglers mit dem Substrat und darüber mit dem Bezugspotential des Heizers. Man kann den Heizer der LM399 mit einer negativen Spannung betreiben. Die Verbindung des Heizers mit dem Substrat sorgt dann dafür, dass sich die Sperrschichten zwischen den einzelnen Schaltungselemente erweitern. Das reduziert wiederum Leckströme und kapazitive Überkopplungen. Die Diode ist notwendig, falls das Bezugspotential des Shuntreglers negativ in Bezug auf das Substratpotential wird. In diesem Fall würden ohne die Diode undefinierte Ströme über das Substrat in die Schaltung fließen und diese beschädigen.

Im oberen Bereich der Schaltung finden sich mit den Elementen R14, R15, T17 und T18 zusätzliche Schaltungsteile, die im Schaltplan nicht abgebildet sind (rot).

Die Z-Diode (Q3), die die Grundlage der Referenzspannung darstellt, befindet sich mittig auf dem Die. Rechts davon sind die Transistoren Q13 und Q12 integriert, die ebenfalls Einfluss auf die Referenzspannung haben. Links der Z-Diode befindet sich der Temperaturfühler des Heizerschaltkreises. So ist sichergestellt, dass die Temperatur der kritischen Elemente möglichst gleich und konstant ist.

Der 10kΩ-Widerstand an der Basis des Transistors Q13 lässt sich über die Metalllage justieren. Darüber kann man den Arbeitspunkt des Transistors einstellen.

 

LM399AH Die Versorgung

Sowohl das Versorgungspotential (rot/gelb/rosa), als auch das Massepotential (blau/grün/türkis) werden konsequent sternförmig über mehrere Leitungen verteilt. Das garantiert, dass sich Spannungsabfälle einzelner Schaltungsteile möglichst wenig auf die anderen Schaltungsteile auswirken.

Der Lastpfad des Shuntreglers ist mit exklusiven, breiten Leitungen über die Kante des Dies angebunden (rot/blau). Die Z-Diode besitzt eine eigene Versorgung (gelb/grün). Die restlichen Schaltungsteile werden mit einer dritten Versorgung angefahren (rosa/türkis).

 

LM399AH Die Analyse

Unter den zusätzlichen Bauelementen befindet sich der große Transistor T18, der Widerstand R14, der einstellbare Widerstand R15 und der nicht sofort als Transistor erkennbare T17. Der rechte Kontakt des Widerstands R14 ist nicht nur mit dem Widerstandsstreifen, sondern auch mit der lokalen, n-dotierten Wanne verbunden. Das dort anliegende verhältnismäßig hohe Potential garantiert, dass die p-dotierten Widerstände von der Wanne isoliert bleiben. Gleichzeitig stellt der Kontakt aber auch den Kollektoranschluss des Transistors T17 dar. Der zweite Anschluss des Widerstands R14 ist mit der Basisfläche des Transistors T17 verbunden und im oberen Bereich ist ein Emitter integriert, der mit dem Massepotential verbunden ist.

 

MAC199 Schaltplan

Tesla fertigte eine Variante der LM399 unter der Bezeichnung MAC199. Der Schaltplan der MAC199 enthält einen zusätzlichen Schaltungsteil (hier rot eingefärbt), der exakt die zusätzlichen Schaltungsteile der LM399 darstellt. Die Bezeichnungen auf dem Die wurden bereits entsprechend gewählt.

Die Transistoren T17/T18 bilden einen Stromspiegel und sorgen für einen zusätzlichen Strom durch die Z-Diode. Über den Widerstand R15 lässt sich der Stromwert einstellen. Man kann nur spekulieren, welchen Vorteil der zusätzliche Schaltungsteil mit sich bringt. Wahrscheinlich werden damit Drifteffekte kompensiert.

 

LM399AH Die subsurface zener

Die LM399 arbeitet mit einer buried Zener, einer vergrabenen Z-Diode. Normalerweise befindet sich die Sperrschicht einer Z-Diode an der Oberfläche eines Dies. An dieser Oberfläche ist allerdings auch die Störstellendichte am höchsten, was dazu führt, dass die Eigenschaften einer solchen Z-Diode relativ stark driften. Eine Abhilfemaßnahme ist das Versenken der Z-Dioden-Sperrschicht unter die Oberfläche. Das führt zu einem aufwändigeren Aufbau, liefert aber eine konstantere Durchbruchspannung.

 

LM399AH Die Detail

Der Transistor Q16 weist eine interessante Struktur und Verschaltung auf. Rechts ist die Emitterfläche integriert, die von zwei Basiskontakten umgeben ist. Mittig befinden sich im Außenbereich zwei weitere, nicht angebundene Basisanschlüsse. Zwischen diesen Basiskontakten und ganz links sind anscheinend zwei weitere, unterschiedlich große Emitterflächen integriert. Höchstwahrscheinlich wollte man sich die Möglichkeit offen halten die Eigenschaften des Transistors umfangreich zu beeinflussen. Wie weiter oben beschrieben, ist die Emitterfläche kritisch in Bezug auf den Arbeitspunkt der Schaltung. Unklar ist, warum man die ungenutzten Emitter über den Transistor Q15 mit dem Kollektor verbunden hat. Die Emitter könnten so als Z-Dioden agieren, in der Gesamtschaltung würden sie aber wahrscheinlich nie durchbrechen und hätten damit keine Auswirkungen auf die Schaltung. Vielleicht hatte die Verbindung tatsächlich keinen relevanten Nutzen.

 

 

LM399AH Schaltplan Heizer

Der zweite Schaltungsteil enthält den Heizer und dessen Regelung. Die eigentliche Heizung realisiert der Transistor Q1, der mit dem Transistor Q2 eine Darlingtonschaltung bildet (blau). Der grüne Schaltungsteil begrenzt den maximalen Strom. Das Datenblatt spezifiziert typischerweise 140mA als maximalen Einschaltstrom. Ab diesem Strom fällt über den 4,2Ω-Widerstand soviel Spannung ab, dass der Transistor Q3 leitfähig wird und den Steuerstrom des Darlingtontransistors nach Masse ableitet. Der 10pF-Kondensator unterbindet Schwingungen.

Die Z-Diode D1, der Transistor Q6, der 11,2kΩ- und der 1kΩ-Widerstand erzeugen einen Referenzstrom (dunkelgrün). Die Spannung der Z-Diode fällt, abzüglich der Flussspannungen der Transistoren Q6 und Q7, an den zwei Widerständen ab und sorgt so für einen konstanten Stromfluss.

Zwei Stromspiegel (rot) werden vom Referenzstrom durchflossen und stellen so zwei Stromquellen dar. Die Transistoren besitzen jeweils zwei Kollektorbereiche, so dass sich die Stromspiegel mit einem geringen Flächenbedarf auf dem Die darstellen lassen. Der Transistor Q5 sorgt dafür, dass die Z-Diode mit einem konstanten Strom arbeitet. Der Transistor Q7 stellt die Stromquelle dar, die mit dem Transistor Q4 (rosa) die Ansteuerung der Darlington-Stufe realisiert.

Der orange Schaltungsteil, bestehend aus dem Transistor Q8, der Z-Diode D2 und dem J-FET Q9, sorgt dafür, dass die Schaltung sauber anläuft. Eine Anlaufschaltung ist notwendig, da die Z-Diode D1 ihren konstanten Arbeitsstrom über den Transistor Q5 selbst erzeugt. Beim Aufstarten des Heizers sorgt die Z-Diode D2 dafür, dass über den als Diode verschalteten Transistor Q8 eine initiale Referenzspannung am Knoten oberhalb der Z-Diode D1 anliegt. Die Schaltung kann so problemlos anlaufen. Die Flussspannung des Transistors Q8 sorgt danach dafür, dass die Z-Diode D2 von der eigentlichen Referenzdiode D1 mit ihrer Konstantstromspeisung isoliert bleibt. Der J-FET Q9 bildet eine einfache Stromquelle.

Der Transistor Q4 (rosa) stellt die Temperaturregelung dar. Erhöht sich die Temperatur, so reduziert sich die Flussspannung der Basis-Emitter-Strecke und es fließt mehr Strom in die Basis des Transistors Q4. Der Kollektorstrom erhöht sich entsprechend und es wird mehr Strom der Stromquelle Q7 abgeleitet. Damit verbleibt weniger Strom, um die Darlington-Transistor auszusteuern und der Heizerstrom reduziert sich.

 

LM399AH Die Heizer

Der Heizer und sein Regler befinden sich im unteren Bereich des Dies. Am auffälligsten ist der große Transistor Q1 an der unteren Kante. In diesem Transistor fällt die Verlustleistung an, die die Referenzspannungsquelle heizt. Die große Fläche ist notwendig, um die hohe Heizleistung von bis zu 5,5W darstellen zu können. Außerdem garantiert die Fläche eine gute Temperaturspreizung. Der Transistor besteht aus 21 einzelnen Elementen. Unter jedem Transistor befindet sich ein schmales Element, das als Emitterwiderstand wirkt und so sicherstellt, dass alle Transistoren gleichmäßig belastet werden. Der 4,2Ω-Widerstand, der zur Strombegrenzung genutzt wird, kann über die Metalllage eingestellt werden. Der Transistor Q2 des Darlington-Paares Q1/Q2 ist nicht direkt mit der Versorgung verbunden, wie im Schaltplan dargestellt. Zwischen Kollektor und Versorgung befindet sich eine Z-Diode, die hier als DQ2 bezeichnet ist. Der Spannungsabfall über DQ2 bringt den NPN-Transistor Q2 auf ein niedrigeres Potential, so dass er sich besser aussteuern lässt. Im Schaltplan der MAC199 ist diese Z-Diode eingezeichnet.

Der Transistor Q4, der den Sensor der Temperaturregelung darstellt, befindet sich direkt neben der Referenzdiode des Shuntreglers. Den 11,2kΩ/1kΩ-Spannungsteiler kann man über die Metalllage umfangreich justieren. Über das Verhältnis der Widerstände lässt sich der Arbeitspunkt des Transistors Q4 und damit die Solltemperatur der Referenzspannungsquelle einstellen.

Bei der Z-Diode D1 handelt es sich um die gleiche buried Z-Diode wie im Shuntregler. Die Anlaufschaltung Q8 / Q9 / D2 ist sehr effizient aufgebaut und erscheint oberflächlich betrachtet wie ein Element. Unterhalb der Jahreszahl ist die Anbindung des Substrats an das Bezugspotential des Heizers zu erkennen.

 

LM399AH Die Befestigung

 Seitlich betrachtet zeigt sich, dass das Die im unteren Bereich unregelmäßig ist. Das Zerteilen von Wafern erfolgte oftmals, indem sie nur eingeschnitten und dann über die Schnittkante gebrochen wurden. Dieser Vorgang erzeugt derartige Kanten.

 

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