Vorsicht Kleingedrucktes Datenblätter richtig interpretieren

Gute Analog-Entwickler kennen elektronische Bauelemente und ihre Eigenschaften sehr genau und wissen, welche Einschränkungen einzelne Bausteine haben. Sie wissen aber genausogut, wie sich die spezifizierten Parametergrenzen voll ausreizen oder sogar übertreffen lassen. Dazu gehört auch das richtige Interpretieren von Datenblätteren.

In Datenblättern wird grundsätzlich davor gewarnt, die absoluten Grenzwerte des jeweiligen Bausteins zu überschreiten. In aller Regel weisen die Datenblätter auch darauf hin, dass ein Betrieb außerhalb der empfohlenen Betriebsbedingungen die Zuverlässigkeit des Bausteins langfristig beeinträchtigen könnte.

Häufig sind diese Hinweise in eine schwer verständliche juristische Sprache gehüllt. Im Allgemeinen geht es aber um folgende beiden Punkte:

  • Soll der Baustein unbedingt im Bereich zwischen den vom Hersteller empfohlenen Betriebsbedingungen und den absoluten Grenzwerten betrieben werden, geschieht das auf eigenes Risiko. Der Baustein sollte zwar keinen Schaden nehmen und wird wohl auch gut funktionieren, aber sein Verhalten wurde in diesem Bereich nicht eingehender untersucht, folglich kann der Hersteller keine Garantie für eine ordnungsgemäße Funktion abgeben.
  • Werden die absoluten Grenzwerte überschritten, wird der Baustein aller Wahrscheinlichkeit nach Schaden nehmen. Wird an den Anschluss des Bausteins eine zu hohe Spannung angelegt, kann der interne ESD-Schutz (Electro-Static Discharge) auslösen. Dieser ist jedoch lediglich darauf ausgelegt, Transienten infolge elektrostatischer Entladung standzuhalten, und wird beschädigt, wenn er über einen längeren Zeitraum eine hohe Stromstärke führen muss. Eine zu hohe Stromstärke kann darüber hinaus zu Elektromigration führen und damit die Lebensdauer des Bausteins vermindern. Vorsicht Kleingedrucktes

Empfohlene Betriebsbedingungen

Für eine zuverlässige Funktion mit den im Datenblatt angegebenen Grenzwerten, sollte ein IC nur innerhalb der empfohlenen Betriebsbedingungen eingesetzt werden.

Die Leistung von Halbleitern variiert mit der Temperatur des Siliziums. Dementsprechend muss der IC-Hersteller ermitteln, in welchem Temperaturbereich sein Baustein optimal funktioniert. Obwohl die meisten Silizium- ICs einer Temperatur bis 150 °C standhalten ohne Schaden zu nehmen, werden Leistungswerte häufig nur bis zu einem Höchstwert von 125 °C angegeben. Dieser Wert bildet typischerweise die Obergrenze des empfohlenen Temperaturbereichs.

Die Verlustleistung wird vermutlich von allen Datenblatt-Parametern am häufigsten falsch interpretiert – die Verwendung von immer mehr Bauelementen mit lötbaren Metallflächen zur Wärmeableitung trägt dazu noch weiter bei. Vor Aufkommen der oberflächenmontierbaren Bauteile (SMD, Surface Mounted Device), als ICs die Wärme größtenteils über Konvektion abführten, war es für IC-Hersteller noch verhältnismäßig leicht, den Wärmewiderstand zwischen dem Silizium und der Umgebung RthJU abzuschätzen und die Belastbarkeit des Bausteins entsprechend zu spezifizieren. Die meisten ICs für die Oberflächenmontage sind heute so ausgelegt, dass sie einen Großteil der Wärme über die Leiterplatte abführen.

Da der Hersteller des ICs die thermischen Eigenschaften der Leiterplatte beim Anwender nicht kennen kann, muss er von verschiedenen Annahmen ausgehen. Dementsprechend wird die Belastbarkeit von SMT-ICs typischerweise für eine ganz bestimmte Leiterplattengröße, -dicke und -art angegeben. Der Schaltungsentwickler muss dabei Abweichungen zwischen den im Datenblatt angegebenen Leiterplatten-Eigenschaften und den tatsächlichen Eigenschaften der von ihm konstruierten Leiterplatte berücksichtigen.

Parametertabellen

Obwohl im Datenblatt ein weiter Betriebsspannungsbereich angegeben ist, werden für die Erstellung der Parametertabelle oft nur ein oder zwei Werte herangezogen. Der Entwickler sollte daher immer prüfen, welche Betriebsbedingungen der IC-Hersteller den angegebenen Werten zugrunde legt (Bild 1). So ist einerseits besser einschätzbar, inwieweit sich diese mit den Betriebsbedingungen der Anwendung decken, und andererseits lassen sich die Unterschiede vergleichbarer Bausteine unterschiedlicher Hersteller besser interpretieren.

Üblicherweise gelten die in der Parametertabelle angegebenen Mindest- und Höchstwerte über den gesamten Betriebstemperaturbereich des Bausteins, während die typischen Werte unter Umständen nur bei Raumtemperatur gelten. Wie oben erwähnt, kann der IC-Hersteller über das Verhältnis zwischen der Chiptemperatur eines ICs und der Umgebungstemperatur der Zielanwendung nur Vermutungen anstellen. Sind die im Datenblatt aufgeführten elektrischen Eigenschaften an eine bestimmte Umgebungstemperatur geknüpft, hat der Hersteller normalerweise eine „Worst- Case-Differenz“ zwischen Umgebungsund Sperrschichttemperatur angesetzt. So wäre beispielsweise bei einer Umgebungstemperatur von +85 °C als maximale Sperrschichttemperatur ein Wert von +125 °C anzunehmen.

In einigen Fällen sind im Datenblatt lediglich typische Werte aufgeführt, was mehrere verschiedene Gründe haben kann:

  • Der betreffende Parameter stellt in typischen Anwendungen keine kritische Größe dar und wurde aus Kostengründen nicht umfassend getestet.
  • Der Parameter ist von externen Komponenten abhängig, deren Verhalten dem IC-Hersteller unbekannt ist.
  • Werden lediglich typische Werte angegeben, gewinnt der Kunde in aller Regel einen positiveren Eindruck von den Eigenschaften des Bausteins. Das ist vielleicht nicht ganz in Ordnung, aber manchmal lassen sich Hersteller auch von solchen Motiven leiten.

Ein gutes Datenblatt enthält Angaben zu den Testbedingungen, die den Werten in der Parametertabelle zugrunde liegen. Möchte man ähnliche Bausteine von verschiedenen Herstellern vergleichen, sollte man auf die Testbedingungen achten. Weichen diese stark voneinander ab, so ist ein direkter Vergleich kaum möglich.

Mitunter kommt es vor, dass Hersteller einen Parameter absichtlich nicht genau spezifizieren, um die Kosten für deren Test niedrig zu halten. Genaue Messungen erfordern eine längere Einschwingzeit – und Zeit ist bekanntlich Geld. Bei manchen Parametern lassen sich diese zusätzlichen Kosten nicht rechtfertigen. Beispielsweise ist es durchaus sinnvoll, den Eingangsruhestrom eines Präzisions- Operationsverstärkers auf pA genau zu messen, weil es sich um eine wichtige Kenngröße handelt, die für Kunden entscheidend ist.

Bei einem DC/DCWandler könnte es dagegen genügen, als Eingangsstrom den am Enable-Pin gemessenen Eingangsstrom im μA-Bereich anzugeben – selbst wenn der tatsächliche Eingangsstrom viel niedriger liegen sollte.