Zu heiß oder zu kalt kann gerade richtig sein

Sind absolute Maximal- und Minimaltemperaturen so absolut wie Spannungs- oder Stromspezifikationen? Nein! Obwohl Hersteller von integrierten Schaltungen die einwandfreie Funktion ihrer Bauteile außerhalb der Temperaturspezifikationen nicht garantieren, fallen ICs beim Betrieb außerhalb der zulässigen Temperaturen nicht einfach plötzlich aus.

Ingenieure, die sich entscheiden, ICs bei anderen als den spezifizierten Temperaturen einzusetzen, müssen für sich selbst ermitteln, wie gut die Bauteile dann arbeiten und wie konsistent ihr Verhalten ist.

Es gibt dafür nützliche Faustregeln. Bei Temperaturen im Bereich 185 bis 200°C (der genaue Wert ist prozessabhängig) machen erhöhte Leckströme und eine reduzierte Verstärkung die Funktion von ICs unvorhersehbar. Außerdem begrenzt eine beschleunigte Diffusion der Dotierungselemente die Lebensdauer auf Hunderte, bestenfalls Tausende von Stunden.

Dennoch werden ICs regelmäßig bei diesen Temperaturen eingesetzt. So zum Beispiel in Anwendungen wie Messschaltungen für Bohrköpfe, bei denen eine herabgesetzte Leistungsfähigkeit und eine verkürzte Lebensdauer akzeptabel sind. Bei etwas höheren Temperaturen kann die Lebensdauer aus praktischer Sicht jedoch zu kurz werden.

Bei sehr niedrigen Temperaturen kann eine reduzierte Trägermobilität den Ausfall von Bauteilen bewirken. Einige Bauteile werden in diesem Fall zwar weiterarbeiten, jedoch bei Temperaturen unter 50 K außerhalb der Spezifikation.

Doch die Physik ist nicht der einzige begrenzende Faktor. Entwicklungskompromisse können die Leistungsfähigkeit in einem Temperaturbereich auf Kosten von Fehlfunktionen außerhalb dieses Bereichs erhöhen – der Temperatursensor AD590 zum Beispiel arbeitet unter flüssigem Stickstoff, falls er zuerst eingeschaltet und danach herabgekühlt wird. Bei 77 K würde er jedoch nicht anlaufen.

Subtilere Effekte resultieren aus einer Leistungsoptimierung – die Version eines Bauteils für den kommerziellen Temperaturbereich (0 bis 70°C) kann innerhalb dieses Temperaturbereichs eine sehr gute Genauigkeit aufweisen. Außerhalb dieses Temperaturbereichs kann die Genauigkeit jedoch zu wünschen lassen. Die Version des gleichen Bauteils für den militärischen Temperaturbereich (–55 bis 125°C) kann wegen eines anderen Abgleichalgorithmuses eine etwas geringere Genauigkeit über einen größeren Temperaturbereich aufweisen. Auch ein leicht unterschiedliches Schaltungsdesign könnte dafür verantwortlich sein. Der Unterschied zwischen beiden Versionen kann in manchen Fällen nicht nur auf unterschiedliches Testen zurückgeführt werden.

Zwei andere Probleme sind das Verhalten des Gehäusematerials, das vor dem Silizium ausfallen kann. So kann das Gehäuse eines Bauteils infolge eines thermischen Schocks ausfallen. Die Tatsache, dass ein AD590 bei 77 K arbeitet, wenn er langsam heruntergekühlt wird, bedeutet nicht, dass das Bauteil einen plötzlichen Temperaturschock beim Eintauchen in flüssigen Stickstoff verkraftet.

Die einzige Möglichkeit, ein Bauteil außerhalb seines spezifizierten Temperaturbereichs einzusetzen, besteht darin, es zu testen, zu testen und zu testen. Denn nur so kann man herausfinden, wie sich Temperaturen außerhalb der Spezifikationen auf das Verhalten von Bausteinen aus verschiedenen Herstellungschargen auswirken. Überprüfen Sie alle Ihre Annahmen. Sie müssen ebenfalls viele Bausteine mit unterschiedlichem Herstellungsdatum überprüfen. Der IC-Hersteller wird Ihnen vielleicht helfen. Möglicherweise wird er aber keine Garantie für den Betrieb von Bauteilen außerhalb des spezifizierten Temperaturbereichs übernehmen.

Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices

 

Umgang mit parasitären Kapazitäten in Photodiodenschaltungen

Photodioden transformieren eine grundlegende physikalische Erscheinung (Licht) in elektrische Form (Strom). Elektronische Bauelemente wandeln den Strom des Photodetektors in eine nutzbare Spannung um, wodurch die Veränderungen des Signals der Photodiode beherrschbar werden. Es gibt eine Reihe verschiedener Herangehensweisen an die Probleme bei lichtempfindlichen Schaltungen. Ein Leser fragte nach einer Schaltung, mittels derer die Bandbreite und die Auswirkungen des Rauschens der Photodiode von außen oder mit einer parasitären Kapazität reduziert werden konnten.

Bild 1: Klassische Schaltung eines lichtempfindlichen Systems
Bild 1: Klassische Schaltung eines lichtempfindlichen Systems

Die klassische Schaltung eines lichtempfindlichen Systems besteht aus einer Photodiode, einem Operationsverstärker und einem Paar aus Rückkopplungswiderstand und Rückkopplungskondensator am Frontend (Bild 1). Bei dieser Schaltung wird die Bandbreite durch die Photodiode, den Verstärker und die Rückkopplungskapazität beschränkt.

Bei der Lichtmessung mit einer Photodiode, die eine große parasitäre Kapazität besitzt oder die weit entfernt ist, liegt folglich eine große Kapazität über dem Eingang des Verstärkers an. Als Resultat dieser zusätzlichen Kapazität steigt die Rauschverstärkung der Schaltung, solange der Rückkopplungskondensator nicht vergrößert wird. Wenn der Rückkopplungskondensator (CF) vergrößert wird, sinkt die Bandbreite der Schaltung.

Bild 2: Entfernung der Diodenkapazität und Leitungskapazität mittels Bootstrapping
Bild 2: Entfernung der Diodenkapazität und Leitungskapazität mittels Bootstrapping

Sie können eine Bootstrap-Schaltung verwenden, um dieses Problem zu lösen (Bild 2). Photodioden mit einer relativ geringen Diodenkapazität profitieren jedoch nicht von dieser Schaltung. Ein Spannungsfolger mit dem Verstärkungsfaktor Eins, A2, entfernt die Leitungskapazität und damit die Parasitärkapazität der Photodiode vom Eingang des Transimpedanzverstärkers, A1.

Bei der Entwicklung dieser Schaltung haben Sie eine relativ freie Wahl, was den Typ des Verstärkers für A2 angeht. Dabei sind nur vier Spezifikationen wichtig. Zu diesen Entwicklungsrichtlinien zählt, dass der ausgewählte Verstärker eine geringe Eingangskapazität, ein geringes Rauschen, eine höhere Bandbreite als A1 und eine geringe Ausgangsimpedanz aufweist.

Bei dieser Schaltung ist die Eingangskapazität von A2 die einzige Kapazität, welche für die AC-Übertragungsfunktion des Transimpedanzsystems eine Rolle spielt. Die Eingangskapazität des Spannungsfolgers A2 ersetzt die Summe der Eingangskapazität von A1, der Leitungskapazität und der parasitären Kapazität der Photodiode. Als Faustregel gilt, dass CA2 << (CA1 + CCA +CPD), wobei CA1 und CA2 der Summe ihrer Eingangsdifferenz- und Gleichtaktkapazität entsprechen.

Bei dieser Schaltung wird jedoch ein Rauschproblem (A1) durch ein anderes (A2) ersetzt. Der Spannungsfolger entfernt die Rauschwirkung von A1. Als Faustregel gelten, dass das Rauschen von A2 <= A1 ist.

Die Differenz zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal fällt in diesem System über der Leitungs-/Diodenkapazität ab. Sie können diese Differenz niedrig halten, indem Sie A2 mit höherer Bandbreite als A1 wählen und die Ausgangsimpedanz von A2 gering halten. Durch die Abnahme der Verstärkung von A2 ergibt sich eine obere Grenze für die Bandbreitenverbesserung. Das Bandbreitenverhältnis zwischen den Verstärkern ist A2-BW >> A1-BW. Diese Schaltung erfordert eine Optimierung der Stabilität, indem Sie CF an die Eingangskapazität von A2 angleichen.

Bonnie C. Baker, Texas Instruments

Literatur

[1] Baker, B.: „The eyes of the electronic world are watching“, EDN, 7. Aug.(2008)

[2] Baker, B.: „Transimpedance-amplifier stability is dye“, EDN, 4. Sept. (2008)

[3] Graeme, J.: Photodiode Amplifier, McGraw-Hill, ISBN 0-07-024247-X

[4] Kurz, D., Cohen, A.: „Bootstrapping Reduces Amplifier Input Capacitance“,  EDN, 20. März (1978)