Richi´s Lab

Linear Technology
LM399
(HP 1826-1249)

LM399AH

LM399AH

Unter der HP-Teilenummer 1826-1249 verbirgt sich die Referenzspannungsquelle LM399AH. Laut der HP-Übersetzungstabelle wurden die Referenzbausteine 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 die gewünschte Referenzspannung einstellt.
Das Datenblatt gibt einen maximalen Temperaturdrift von 2ppm/°C an. Eine integrierte Heizung ermöglicht diesen niedrigen Wert.
Der Langzeitdrift beträgt typischerweise 8ppm, die Rauschspannung maximal 50µVrms.

 

LM399AH Package

Der Deckel des Kunststoffgehäuses lässt sich problemlos aufhebeln.
Das Gehäuse besteht aus zwei Kunststoffzylindern, was die thermische Entkopplung zur Umgebung verbessert. Schwankungen der Umgebungstemperatur beeinflussen so die Temperatur des Chips bedeutend weniger.

 

LM399AH

Das eigentliche Gehäuse der Referenzspannungsquelle ist relativ klein, was für eine geringe thermische Trägheit und damit ein schnelles thermisches Einschwingverhalten sorgt. Das Datenblatt gibt drei Sekunden als Aufheizzeit an.

Die Beschriftung KAAAAX lässt sich nicht zuordnen. Vielleicht verbirgt sich dahinter die angebliche Sortierung der Referenzspannungsquellen.
Der Datecode lautet hier wie auf dem Kunststoffgehäuse 8528.

 

LM399AH Die Bonds

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

 

LM399AH Die

Das Die trägt die Bezeichnung 199I, was für die Basisvariante LM199 steht, die sich aber nur durch den Einsatztemperaturbereich unterscheidet.
Die Darstellung der Maskenrevisionen an der unteren Kante  zeigen, dass das Design schon mindestens zweimal überarbeitet wurde.

 

LM399AH Datenblattausschnitt Referenz

Die Schaltung ist zweitgeteilt. Ein Block stellt die Referenzspannungsquelle dar. Der zweite Block realisiert die Heizerfunktion, die die Temperatur des Halbleiters konstant hält und so Temperaturdrifteffekte dämpft.
Das Datenblatt enthällt zu beiden Schaltungsblöcken je einen Schaltplan. Der hier abgebildete und eingefärbte Plan stellt die Referenzspannungsquelle dar.

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 Verschaltung der Transistoren Q11 und Q12 bezeichnet man als Sziklai-Paar. Es stellt die komplementäre Variante der Darlingtonschaltung dar und sorgt für eine hohe Stromverstärkung, wodurch die vorherige Schaltung nur wenig belastet wird. Die RC-Kombination zwischen den beiden Transistoren unterbindet 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 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.

Die Transistoren Q13 und Q14 (rot) stellen den Treiber für die Endstufe dar. Am Lowside-Transistor des Treibers liegt die Referenzspannung an. Der 30pF-Kondensator unterbindet Schwingneigungen.

Die Basisreferenzspannung erzeugt die 6,3V-Z-Diode Q3 (dunkelgrün).
Der dunkelgrüne 2kΩ-Widerstand sorgt für den Stromfluss durch die Z-Diode, der notwendig ist damit diese eine saubere Referenzspannung bereitstellen kann. Die Höhe des Stroms lässt sich mit ungefähr 0,2mA abschätzen.

Die an den äußeren Pins anliegende Referenzspannung setzt sich aus der 6,3V-Referenzspannung der Z-Diode und der Basis-Emitter-Flussspannung des Transistors Q13 zusammen.
Steigt die äußere Spannung über die Sollspannung, so liegt an der Basis des Transistors Q13 ein höhere Potential an und es fließt mehr Strom in die Treiberstufe. Das führt dazu, dass die Sziklai-Endstufe mehr Strom fließen lässt. Der höhere Strom führt zu einem höheren Spannungsabfall am externen Widerstand und reduziert so die Spannung an den Anschlusspins wieder auf den Sollwert.

Die Transistoren Q15 und Q16 und der 2,6kΩ-Widerstand (rosa) stellen die Stromquelle dar, die für die Funktion der Treiberstufe notwendig ist.
Der Transistor Q16 nutzt die am 2kΩ-Widerstand der Z-Diode abfallende Spannung, um über den 2,6kΩ-Widerstand einen bestimmten Strom zu erzeugen. Der Transistor Q15 bildet mit dem Transistor Q16 einen Stromspiegel, über den dieser Strom in die Treiberstufe eingespeist wird.
Der Strom durch den Transistor Q14 schwankt mit der Versorgungsspannung. Das bedeutet, dass Spannungsschwankungen an den äußeren Pins zu Stromschwankungen in der Treiberstufe führen. Eine Anpassung dieses Stroms ist aus Sicht der Endstufe nicht notwendig. Vermutlich kompensiert der Mechanismus einen Drifteffekt, der von der Eingangsspannung beeinflusst wird

 

LM399AH Die Analyse

Der Referenzspannungs-Shuntregler befindet sich im oberen Teil des Dies. Der Schaltplan des Datenblatts lässt sich gut auf diese Fläche übertragen.

Sowohl das Versorgungspotential (rot), als auch des Massepotentials (blau) werden konsequent sternförmig über mehrere Leitungen verteilt. Das garantiert, dass sich Spannungsabfälle einzelner Schaltungsteile möglichst wenig auf andere Schaltungsteile auswirken.
Am Bondpad des Massepotentials befindet sich eine Diode (D), die nicht auf dem Schaltplan aber in den Blockschaltbildern im Datenblatt aufgeführt ist. Sie verbindet den Shuntregler mit dem Heizungsregler. Der Heizer kann auch mit einem negativen Potential statt mit dem Bezugspotential des Shuntreglers betrieben werden. In diesem Fall sperrt die Diode. Eine solche Verschaltung ist äußerst vorteilhaft, nicht nur entkoppelt die gesperrte Diode die beiden Schaltungsteile, das negative Substratpotential sorgt außerdem für eine erweiterte Sperrschicht zwischen den aktiven Schaltungsblöcken.
Die Zenerdiode (Q3), die die Grundlage der Referenzspannung darstellt, befindet sich mittig auf dem Die, was vermutlich für eine ideale thermische Einbettung sorgt.
Der Wert des 10kΩ-Widerstands am Transistor Q13 lässt sich anscheinend über die Metallage justieren.

Es zeigt sich, dass die Schaltung nicht vollständig dem Schaltplan entspricht.
Vor dem Transistor Q16 befindet sich ein weiterer Transistor (Q16a), der anscheinend als Diode verschaltet ist und vermutlich das örtliche Potential und damit den Arbeitspunkt optimiert.
Der Transistor Q14 besitzt einen zweiten Pfad, der an die Widerstände RQ14_1 und RQ14_2 angebunden zu sein scheint. Dahinter sind Qsink und Rx platziert.

 

LM399AH Die Analyse

Überträgt man die relevanten, zusätzlichen Elemente auf den Schaltplan, so zeigt sich, dass der Transistor Q14 mit seinem zweiten Emitter seinen versorgungsspannungsabhängigen Strom auf den Widerstand RQ14_1 spiegelt. Die an diesem Widerstand abfallende Spannung steuert über den Widerstand RQ14_2 den zusätzlichen Transistor Qsink aus. In dessen Emitterpfad befindet sich der Widerstand Rx, der über die Metalllage justiert werden kann.
Insgesamt fließt folglich durch die Z-Diode mehr Strom wenn der Shuntregler einen höheren Strom einstellen muss. Der Nutzen der zusätzlichen Schaltung lässt sich nicht endgültig klären. Ein höherer Strom erhöht die Referenzspannung der Z-Diode. Die Erhöhung kompensiert vermutlich einen Spannungsabfall in der restlichen Schaltung, der durch den erhöhten Strom verursacht sein könnte.

 

MAC199 Schaltplan

Tesla fertigte unter der Bezeichnung MAC199 eine Variante des LM399. Im Schaltplan der MAC199-Referenzspannungsquelle ist ein zusätzlicher Schaltungsteil abgebildet, der bis zu einem gewissen Grad dem erweiterten LM399-Schaltplan entspricht. Statt dem Widerstand RQ14_1 gegen Masse ist dort allerdings ein Transistor eingezeichnet.
Ein Transistor ließe sich an dieser Stelle leichter erklären als ein Widerstand. Der Transistor würde leitend werden, wenn zuviel Strom über den Basiswiderstand RQ14_2 und damit durch die Z-Dode fließt. Die Schaltung könnte eine Art Überstromschutz realisieren.

 

LM399AH Die Analyse

Die einzelnen Funktionen auf einem integrierten Schaltkreis lassen sich nicht immer mit letzter Sicherheit bestimmen. Das relativ mittig platzierte, etwas größere, braune Rechteck stellt das fragliche Element dar. Es befindet sich in einer isolierten Wanne mit den Widerständen 2kΩ, 10kΩ, Rx und RQ14_2. Zusätzliche Ebenen sind in dieser Wanne nicht zu erkennen. Würde das rechteckige Element RQ14_1 mit der Umgebung einen Transistor ausbilden, so könnte er auch mit den anderen Widerständen interagieren, was absolut nicht wünschenswert wäre.

 

LM399AH Die Analyse

Das Element lässt außerdem keine offensichtlichen Transistorstrukturen erkennen. Es scheint sich schlicht um zwei Kontaktierungen von der Metalllage zur darunter liegenden braun (bzw. rosa) erscheinenden Schicht zu handeln.
Auffällig ist lediglich, dass das Element für einen Widerstand eine sehr breite und kurze Form besitzt. Eine solche Form hat allerdings auch der 50Ω-Widerstand. Es könnte sich folglich um einen niederohmigen Widerstand handeln.

 

LM399AH Die Analyse

Denkt man allerdings genauer über den Aufbau der einzelnen Elemente nach, so könnte es sich bei RQ14_1 dennoch um einen Transistor handeln.
Wenn die dunkelgraue Wanne, in der sich alle Elemente befinden, n-dotiert ist, dann müssen die brauen Elemente p-dotiert sein. Befindet sich nun unter dem oberen Kontakt des fraglichen Elements RQ14_1 eine n-Dotierung, so bildet sich dort ein NPN-Transistor aus.

Fraglich bleibt wo sich dann der Kollektoranschluss befindet und wie man verhindert hat, dass alle in der dunkelgrauen Wanne befindlichen Elemente miteinander interagieren. Wenn das braune Segment die p-dotierte Basis und den n-dotierten Emitter enthält, dann fungiert die komplette dunkelgraue Wanne als n-dotierter Kollektor. Das kann funktionieren, wenn die in der Wanne befindlichen Elemente alle ein negativeres Potential besitzen als die Wanne selbst. In diesem Fall sind alle pn-Grenzflächen gesperrt und es findet keine ungewollte Interaktion zwischen den einzelnen Bauteilen statt.
Das rote, von links in das Bild kommende Potential des Transistors Q14 stellt das höchste Potential dar. Die Wanne ist aber nicht mit diesem Potential verbunden. Es scheint vielmehr so, dass der gelbe Anschluss des Widerstands RQ14_2 eine zusätzliche Kontaktierung zum Untergrund enthält. In diesem Fall ist dieses zweithöchste Potential ebenfalls ausreichend, da es sowieso die Funktion des Transistors ist den Widerstand zu überbrücken.
Der Transistor Q14 ist folglich eher eine Art parasitärer Transistor. Der Aufbau dürfte außerdem dazu führen, dass er keine herausragenden elektrischen Eigenschaften aufweist. Als Strombegrenzung mit einer kleinen Schaltleistung ist der Aufbau aber wahrscheinlich vollkommen ausreichend.

 

LM399AH Die subsurface zener

Laut Datenblatt handelt es sich bei der Zenerdiode um eine sogenannte Subsurface- oder Buried-Zenerdiode.

Normalerweise befindet sich die Sperrschicht einer Z-Diode an der Oberfläche eines Halbleitersubstrats. An dieser Obefläche 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 auwändigeren Aufbau, liefert aber eine konstantere Durchbruchspannung.

 

LM399AH Datenblattausschnitt Heizer

Der zweite Schaltungsteil stellt den Heizer und dessen Regelung dar.
Die eigentliche Heizung realisiert der Transistor Q1, der mit dem Transistor Q2 eine Darlingtonschaltung bildet (blau). Die Darlingtonschaltung erlaubt es den Heizstrom mit einem geringen Steuerstrom zu kontrollieren.

Der grüne Schaltungsteil setzt beim ersten Aufheizen eine Maximalstromregelung um.
Oberhalb von etwas mehr als 100mA fällt am 4,2Ω-Widerstand soviel Spannung ab, dass der Transistor Q3 leitfähig wird und den Strom, der den Darlingtontransistor aussteuert, nach Masse ableitet. Der 10pF-Kondensator unterbindet Schwingungen.

Die Ansteuerung der Darlingtonschaltung erfolgt über eine Stromquelle.
Die Z-Diode D1, der Transistor Q6, der 11,2kΩ- und der 1kΩ-Widerstand definieren den Strom der Stromquelle (dunkelgrün). Der Transistor Q7 hat ebenfalls einen kleinen Einfluss auf den Stromwert. 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. Rechnerisch beträgt der Stromwert nicht ganz ein halbes Milliampere. Der Transistor Q6 entkoppelt die Referenzspannung der Z-Diode vom Stromfluss.

Zwei Stromspiegel (rot) vervielfachen die Stromquelle. Die Transistoren besitzen zwei Kollektorbereiche, so dass sich die Stromspiegel mit einem geringen Flächenbedarf auf dem Die darstellen lassen.
Der Transistor Q7 spiegelt den Referenzstrom in den Ansteuerungsknoten des Darlingtontransistors.
Der Transistor Q5 spiegelt den Referenzstrom in den Pfad der Z-Diode D1, die die Referenzspannung der ursprünglichen Stromquelle erzeugt und sich so in einem relativ konstanten Arbeitspunkt befindet.

Der orange Schaltungsteil, bestehend aus dem Transistor Q8, der Z-Diode D2 und dem J-FET Q9, sorgt für ein definiertes Anlaufverhalten. Die Anlaufschaltung ist notwendig, da die Z-Diode D1 ihren konstanten Arbeitsstrom über den Transistor Q5 selbst erzeugen muss. Beim Aufstarten des Heizers sorgt die Z-Diode D2 dafür, dass über den als Diode verschalteten Transistor Q8 eine 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 könnte einen gewissen Verpolschutz bieten. Wahrscheinlicher ist allerdings, dass er eine einfache Stromquelle darstellt, die lediglich die Z-Diode D2 vor einem zu hohen Strom schützt.

Der Transistor Q4 (rosa) realisiert die eigentliche Temperaturregelung.
Geht man davon aus, dass die Stromquelle nicht ganz ein halbes Milliampere fließen lässt, so reicht der Spannungsabfall am 1kΩ-Widerstand gerade noch nicht aus, um die Basis-Emitter-Strecke des Transistors Q4 in den leitfähigen Zustand zu überführen. Erhöht sich die Temperatur, so reduziert sich die Flussspannung der Basis-Emitter-Strecke und es fließt ein Strom in die Basis des Transistors Q4. Der nun leitfähig gewordene Transistor leitet dann den durch den Transistor Q7 bereitgestellten Steuerstrom nach Masse ab, was die Aussteuerung des Darlington-Paares Q1/Q2 zurücknimmt und so den Strom und damit die Heizleistung reduziert.

 

LM399AH Die Heizer

Dieser Schaltungsteil lässt sich ebenfalls gut auf das reale Die übertragen.
Die Verteilung des Bezugspotentials erfolgt auch hier konsequent sternförmig.
Unterhalb der Jahreszahl befindet sich die Anbindung an das Substrat, die den Heizer über das Substratmaterial mit der Diode des Shuntreglers verbindet.

Am auffälligsten ist das große Element an der unteren Kante. Hierbei handelt es sich um den Heizertransistor Q1. Die große Fläche ist notwendig, um die hohe Heizleistung von ungefähr 0,5W darstellen zu können, ohne lokal zu überhitzen. Außerdem ist über die Fläche eine gute Temperaturspreizung sichergestellt. Der Transistor besteht aus 21 einzelnen Transistoren. 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 den maximalen Strom und damit die Heizleistung begrenzt, 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. Oberhalb des Kollektors befindet sich noch der Widerstand Rx.

Bei der Z-Diode D1 handelt es sich anscheinend um die gleiche Subsurface-Diode wie im Shuntregler. Die Anlaufschaltung Q8 / Q9 / D2 ist dagegen sehr viel einfacher aufgebaut und lässt sich kaum in die einzelnen Elemente auflösen.

Der Transistor Q4, der den Sensor der Temperaturregelung darstellt, befindet sich direkt neben der Referenzdiode des Shuntreglers.
Der 11,2kΩ-Widerstand lässt sich über die Metalllage umfangreich justieren. Über dessen Widerstandswert lässt sich die Solltemperatur der Referenzspannungsquelle einstellen.

 

LM399AH Die Aufbau

Das Die ist interessanterweise nicht direkt auf dem Gehäuses aufgebracht. Zwischen Die und Gehäuse befindet sich anscheinend eine weitere, dünnere Schicht, die ebenfalls ein Siliziumkristall sein könnte. Über die Funktion dieser Schicht kann man nur spekulieren.

 

 

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