Richi´s Lab

LM300

LM300

Der LM300 ist ein sehr alter, variabler Spannungsregler. Ursprünglich stammt der Baustein von National Semiconductor, er wurde aber auch von vielen anderen Herstellern produziert. Die Beschriftung dieses Bauteils ist kaum noch zu erkennen, eine Herstellerbezeichnung lässt sich nicht ausmachen.

Die Eingangsspannung darf zwischen 8,5V und 35V betragen. Die Ausgangsspannung des LM300 lässt sich zwischen 2V und 20V einstellen, wobei der Spannungsabfall 30V und die Verlustleistung 500mW nicht übersteigen darf. Einen maximalen Strom gibt das Datenblatt nicht an. Mit dem minimal möglichen Spannungsabfall von 3V ergibt sich allerdings ein maximaler Strom von 167mA.

Neben dem LM300 stellen der LM200 und der LM100 Varianten des Spannungsreglers dar, die höhere Betriebstemperaturen zulassen. Es handelt sich höchstwahrscheinlich um verschiedene Sortierungen.

 

LT1085 Die Stackup

Das Datenblatt von National Semiconductor enthält einige Schaltungsbeispiele. Als einfacher Linearregler benötigt der LM300 wenig externe Bauteile. Ein Widerstand dient der Strommessung. Sein Wert legt fest wann die Strombegrenzung einsetzt. Über einen Spannungsteiler lässt sich die Ausgangsspannung eingestellen. Der Frequenzgang der Regelstrecke wird mit einem externen Kondensator kompensiert. Ein zweiter Kondensator ermöglicht es das Rauschen der internen Referenzspannung zu reduzieren. Setzt man einen Leistungstransistor als externen Linearregler ein, so lassen sich höhere Ausgangsströme erreichen.

Alternativ kann der LM300 auch als Schaltregler betrieben werden.
Auf dem zugehörigen Schaltbild befindet sich ein Fehler. Der Widerstand R5 ist nur an den Schaltknoten, nicht an das Versorgungspotential angebunden.

 

LM300 Die

Die Abmessungen des Dies betragen 1,05mm x 1,07mm.

 

LM300 Schaltplan

Das Datenblatt enthält einen ausführlichen Schaltplan. Die Referenzspannungserzeugung ist hier hellgrün markiert. Sie basiert auf der Z-Diode D1. Über die Kette Q4, Q5/Q6, R1, R2 und Q7 stellt sich an der Basis des Transistors Q8 eine konstante Spannung von typischerweise 1,7V ein.
Eine niedrige Referenzspannung ist notwendig, um niedrige Ausgangsspannungen darstellen zu können. Der Spannungsteiler ist aber außerdem so ausgelegt, dass er den Temperaturkoeffizienten der Kette D1, Q4, Q6 herunterteilt, bis er durch den Temperaturkoeffizienten des Transistors Q7 kompensiert werden kann. Das sorgt für einen relativ geringen Temperaturdrift der Ausgangsspannung.

Hellblau markiert ist der Differenzverstärker, der die Referenzspannung mit der Rückkopplung der Ausgangsspannung vergleicht. Über den Pin 5 kann die Referenzspannung von außen stabilisiert werden. Im Schaltreglerbetrieb dient der Pin 5 dazu das System schwingfähig zu machen. Die Kompensation greift über den Pin 7 in den rechten Zweig des Differenzverstärkers ein.
Die nicht benannte Diode oberhalb des Kompensationsabgriffs verhindert im Schaltreglerbetrieb, dass der Transistor Q9 in Sättigung geht, was das Regelverhalten negativ beeinflussen würde.

Die Transistoren Q6/Q5 stellen eine Art speziellen Stromspiegel dar. Der konstante Strom im hellgrünen Kreis wird in den linken Teil des Transistors Q5 gespiegelt. Dieser gespiegelte Strom fließt ebenfalls in den Referenzpfad. Der Emitterstrom findet sich aber parallel im Kollektor wieder. Über einen weiteren Emitter des Transistors Q5 fließt der Strom des linken Differenzverstärkerzweigs. Im Kollektor summieren sich die Ströme der beiden Emitter.

Der Transistor Q2 stellt mit seinen drei Kollektoren die Stromversorgung des Reglers dar. Die Transistoren Q1 und Q3 unterstützen den PNP-Transistor Q2, der aufgrund des unkomplizierten lateralen Aufbaus innerhalb des NPN-optimierten Prozesses keine hohe Stromverstärkung bietet.
Der Steuerstrom des Transistors Q2 wird über Q3 und Q4 durch den Strom im Referenzzweig bestimmt. Der Strom im linken Zweig des Differenzverstärkers hat einen gewissen Einfluss auf die Stromversorgung, was vermutlich für eine Stabilisierung des Arbeitspunkts sorgt.
Der orange Schaltungsteil sorgt für einen sauberen Hochlauf der Schaltung. Solange das Potential am Ausgang niedrig ist kann darüber der notwendige Anlaufstrom fließen. Gegen zu hohe Ströme bei hohen Spannungsabfällen begrenzt die Z-Diode D2 die Spannung und damit den Strom.

Der rote Schaltungsteil stellt die Endstufe des LM300 dar. Q11 ist der Treibertransistor. Überbrückt man die Pins 2 und 3, so dient der Transistor Q12 als Längsregler. Alternativ kann man den Transistor Q12 mit dem 520Ω-Widerstand als Treiber für einen externen Längsregler nutzen.

Über den Shunt zwischen Pin 1 und Pin 8 begrenzt der dunkelgrüne Schaltungsteil den Strom durch den Längsregler. Der Transistor Q10 leitet dazu die Ansteuerung des Treibertransistors Q11 ab.

 

LM300 Die Analyse

Die einzelnen Bauteile lassen sich relativ gut auf das Die übertragen. Neben offensichtlichen Strukturen sind auch einige interessantere Konstruktionen zu erkennen.

 

LM300 Die Detail

Die Diode D, die vermutlich die Endstufe vor Rückspeisung schützt befindet sich innerhalb der Transistorfläche Q10. Die braune Fläche stellt den n-dotierten Kollektor des Transistors Q10 dar. Da die Potentiale der p-dotierten Widerstände niedriger sind, konnten sie ohne Beeinflussung darin integriert werden. Die Diode D ergibt sich automatisch zwischen dem linken Anschluss des p-dotierten 1,4kΩ-Widerstands und dem n-dotierten Kollektor.

 

LM300 Die Detail

Die Transistoren Q3 und Q11 befinden sich in einer großen, gemeinsamen Kollektorfläche, die an den Pin 3, das positivste Potential des Dies, angebunden ist.

Der 520Ω-Widerstand ist ebenfalls an den Pin 3 angebunden. Interessant ist, dass der Widerstand eine Kurve beschreibt und nicht direkt die Metalllage kontaktiert.

Während der 14kΩ-Widerstand sehr lang ist und so seinen großen Wert darstellt, ist der 20kΩ-Widerstand sehr kurz ausgeführt. Um trotz der geringen Abmessungen einen hohen Widerstandswert darstellen zu können, wurde die Fläche mit einer inversen Dotierung überlagert. Die inverse Dotierung ist an den Pin 3 angebunden, so dass zwischen den beiden Flächen normalerweise kein Strom fließen kann. Da es sich um das Basis- und das Emittermaterial handelt, ergibt sich aber eine relativ niedrige Durchbruchspannung. Diese Eigenschaft stellt an der unteren Grenze der rötlichen Fläche die Z-Diode D2 dar.

 

LM300 Die Detail

Die Z-Diode D1, die als Basis der Referenzspannung dient, ist kaum auszumachen. Die Z-Diode befindet sich außerhalb eines Kollektorbereichs und damit im p-dotierten Bereich. Unterhalb des Metallquadrats muss sich die hohe Emitterdotierung befinden, was die gewünschte, relativ niedrige Durchbruchspannung von 6,3V ergibt.

 

LM300 Die Detail

Der PNP-Transistor Q2 befindet sich in einer n-dotierten Basisfläche. Der Emitter wird über ein quadratisches, p-dotiertes Element in der Mitte kontaktiert. Drei grüne Segmente stellen die drei p-dotierten Kollektoren des Transistors dar.

Der NPN-Transistor Q1 befindet sich unterhalb des PNP-Transistors Q2. Die braune, n-dotierte Grundfläche stellt für Q1 den Kollektor dar. Das grüne, p-dotierte Material ist die Basisfläche. Kollektor und Basis sind über das metallene Rechteck verbunden. Innerhalb der grünen Fläche befindet sich der Emitter, der von der Metalllage kontaktiert wird.

Zwischen dem linken Q2-Kollektor, der zu den Transistoren Q3 und Q4 führt, und der Basisfläche des Transistors Q1 befindet sich ein dünner und entsprechend relativ hochohmiger Widerstand. Im Schaltplan ist dieser Widerstand nicht aufgeführt. Vermutlich verbessert er das Aufstartverhalten. Der Widerstand scheint von zwei Streifen flankiert zu sein. Es könnte sein, dass diese Streifen die Spannungsfestigkeit erhöhen.

 

LM300 Die Detail

Innerhalb der Kollektorfläche des Transistors Q8 befindet sich der 2,2kΩ-Emitterwiderstand des Differenzverstärkers. Der Massebezug des Widerstands wurde realisiert, indem der p-dotierte Streifen bis zum p-dotierten Bereich geführt wurde, der an das Massepotential angebunden ist.

 

LM300 Die Detail

Der Transistor Q5 besitzt zwei lange und einen kurzen Emitterstreifen. Die zwei langen Emitterstreifen führen zum Transistor Q6. Der kurze Emitterstreifen führt zum Transistor Q8. Die wirksame Transistorfläche in Richtung des Transistors Q6 ist somit viermal so groß wie die in Richtung des Transistors Q8. Das Stromverhältnis stellt sich entsprechend diesem Flächenverhältnis ein.

 

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