Präzisions-Widerstandsarrays Stabilität und Temperaturverhalten von Dünnschicht-Widerstands-Arrays

Dünnschicht-Widerstandsarrays können sich vorteilhaft auf die elektrische Stabilität einer Schaltung auswirken. Sie gewährleisten gleiche Umgebungstemperaturen für alle integrierten Widerstände und sorgen so dafür, dass beispielsweise Festspannungsregler am Ausgang eine Spannung liefern, die weitestgehend unabhängig von Temperatureinflüssen ist.

Der anhaltende Trend der Miniaturisierung von elektronischen Schaltkreisen stellt neue Herausforderungen an die Entwicklung von Widerstandsprodukten. Durch die Zunahme an elektronischen Funktionen z.B. im Automobil ist ein steigender Elektronikanteil pro Fläche zu verzeichnen. Die Auswirkungen auf passive Bauelemente, insbesondere an Widerstände, sind dabei vielfältig. Sie sollen zum einen kleiner werden und zum anderen eine höhere Genauigkeit und eine bessere Stabilität vorweisen. Eine höhere Genauigkeit wird dabei durch immer kleiner werdende Toleranz-Werte und geringere Temperaturkoeffizienten erreicht.

Dünnschicht-Widerstandsarrays sind eine gute Möglichkeit, den Forderungen nach geringerem Platzbedarf, einer größeren Genauigkeit und elektrischer Stabilität Rechnung zu tragen. In einem Widerstandsarray sind mehrere Widerstände integriert auf einem Keramikträger vereint. Durch die Integration der Widerstände benötigt ein solcher Aufbau weniger Platz im Vergleich zu derselben Anzahl an Einzelwiderständen. Dies erlaubt eine höhere Packungsdichte der elektronischen Schaltung und damit einen höheren Anteil an elektronischen Funktionen pro Flächeneinheit. Zudem werden Dünnschicht-Widerstandsarrays insbesondere dort eingesetzt, wo das relative Verhalten der Widerstände eine große Rolle spielt. Typische Anwendungen sind Spannungsteiler und Rückkopplungs-Schaltungen, die z.B. in Operationsverstärker-Schaltungen oder DC/DC-Wandlern Einsatz finden.

Die folgenden Kapitel zeigen, wie sich Dünnschicht-Widerstandsarrays vorteilhaft auf die elektrische Stabilität einer Schaltung auswirken können und gleichzeitig die Fläche des Schaltungsdesigns minimiert werden kann. Am Beispiel eines Spannungsteilers werden die relativen Größen „Toleranz Matching“ und „TK Tracking“ erläutert und das Temperaturverhalten von Widerstandsarrays betrachtet.

Relative Toleranz (Toleranz Matching) am Beispiel des Spannungsteilers

Bild 1 zeigt einen unbelasteten Spannungsteiler, bestehend aus den Widerständen R1 und R2. Am Ausgang des Spannungsteilers entsteht die Spannung UOUT in Abhängigkeit der beiden Widerstände R1, R2 und deren Abweichung vom Nennwiderstandswert Δ. Der Wert für die Ausgangsspannung ergibt sich aus Gleichung 1:

«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»U«/mi»«mi»OUT«/mi»«/msub»«mo»=«/mo»«mfrac»«mn»1«/mn»«mrow»«mn»1«/mn»«mo»+«/mo»«mfrac»«msub»«mi»R«/mi»«mn»1«/mn»«/msub»«msub»«mi»R«/mi»«mn»2«/mn»«/msub»«/mfrac»«mo»§#183;«/mo»«mfrac»«mrow»«mn»1«/mn»«mo»+«/mo»«msub»«mo»§#916;«/mo»«mn»1«/mn»«/msub»«/mrow»«mrow»«mn»1«/mn»«mo»+«/mo»«msub»«mo»§#916;«/mo»«mn»2«/mn»«/msub»«/mrow»«/mfrac»«/mrow»«/mfrac»«mo»§#183;«/mo»«msub»«mi»U«/mi»«mi»IN«/mi»«/msub»«/math»

Die Abweichung vom Nennwiderstandswert wird als absolute Toleranz bezeichnet. Der Fehlerterm (1 + Δ1) / (1 + Δ2) ist gleich 1, wenn die beiden absoluten Toleranzen Δ1 und Δ2 gleich groß sind. Näherungsweise gleich große Toleranzen werden bei Präzisions- Widerstandsarrays erzielt.

Bild 2 zeigt ein Beispiel für die Toleranzen der Widerstandsarray-Serie ACAS 0612 mit vier integrierten Widerständen. In diesem Beispiel befinden sich alle vier Widerstandswerte des Arrays innerhalb des absoluten Toleranzbereiches von ±0,5 %. Zusätzlich wird bei Präzisions-Widerstandsarrays das Toleranz Matching spezifiziert.

Es ist definiert als die Spannweite zwischen der maximalen und der minimalen Widerstandsabweichung und wird ohne Vorzeichen angegeben. Das Toleranz Matching beträgt hierbei 0,1 %. Bei einem Vergleich mit Einzelwiderständen entspricht dies einer Abweichung von ±0,05 %. Das Toleranz Matching wird bei Präzisions-Widerstandsarrays von Vishay Beyschlag während der Herstellung realisiert.