DE3917772A1 - Verfahren und schaltung zur verminderung des einflusses verteilter kapazitaeten bei grossen duennfilm-widerstaenden - Google Patents

Description

Es gibt viele elektronische Anwendungsgebiete für Verstär­ ker, bei denen ein Verstärker gegenüber dem Verstärkeraus­ gang isoliert sein muß, so daß große Gleichtakt-Eingangssi­ gnale (von mehreren 100 V bis zu mehreren 1000 V) keine entsprechende Gleichtakt-Ausgangsspannung erzeugen. Nur die inkrementale Differenz zwischen den Eingangsanschlüssen des Verstärkers erzeugt eine entsprechende Differenz der Span­ nung zwischen den Verstärkerausgangsanschlüssen. Bisher wurden derartige Isolationsverstärker universell für ver­ schiedene Anwendungen verwendet. Isolationsverstärker ent­ halten sogenannte Isolationsbarrieren, beispielsweise Iso­ lationstransformatoren, eine kapazitive Kopplung oder eine optische Kopplung zur galvanischen Isolation des Ausgangs­ anschlusses gegenüber den Eingangsanschlüssen des Isola­ tionsverstärkers, so daß kein DC- bzw. Gleichstromweg zwi­ schen den Eingängen und irgendeinem Ausgang des Isolations­ verstärkers existiert. Allerdings sind derartige Isola­ tionsverstärker ausgesprochen teuer, da separate und iso­ lierte Leistungsversorgungseinrichtungen sowohl für den Eingangsteil als auch für den Ausgangsteil des Isolations­ verstärkers an gegenüberliegenden Seiten der Isolationsbar­ riere erforderlich sind. Im Gegensatz zu Verstärkern ohne galvanische Isolationsbarriere weisen Isolationsverstärker schlechtere Werte im Hinblick auf die Verstärkungsgenauig­ keit, die Eingangs-Offset-Spannungsdrift, die Linearität und die Bandbreite auf.

Es gibt offenbar sehr viele elektronische Anwendungsmög­ lichkeiten für einen Verstärker, bei denen ein hoher Isola­ tionsgrad zwischen den Verstärkereingängen und Verstärker­ ausgängen erforderlich ist, jedoch eine reine galvanische Isolation unnötig ist, solange der Verstärker hohe Gleich­ takt-Signale von ± 200 V verarbeiten kann und mit einer Standardversorgungsspannung von ± 15 V betreibbar ist. Bis jetzt wurde ein derartiger Verstärker allerdings noch nicht vorgeschlagen, möglicherweise deshalb, weil Entwickler in­ tegrierter Schaltungen traditionell zu groß ausgebildete integrierte Schaltungswiderstände vermeiden. Sehr große Spannungen an Widerständen führen zu einem erhöhten Lei­ stungsverlust, der proportional zum Quadrat der an den Wi­ derstand angelegten Spannung ist. Darüber hinaus führen ein erhöhtes Rauschen, eine große verteilte Kapazität in Ver­ bindung mit den Widerständen, die ein schlechtes AC- bzw. Wechselspannungs-Betriebsverhalten nach sich zieht, eine schlechte Gleichtaktunterdrückung aufgrund von Schwierig­ keiten bei der präzisen Ausrichtung körperlich großer Wi­ derstände und ernste thermische Anpassungsprobleme zu Schwierigkeiten bei der Schaltungsauslegung, so daß auch aus diesem Grunde bisher wohl keine Anstrengungen gemacht worden sind, einen integrierten Schaltungsdifferenzverstär­ ker zu schaffen, der sich in noch größerem Umfang als ein Isolationsverstärker in vielen Anwendungsbereichen verwen­ den läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Technik zur Minimierung der Phasenverschiebung eines Signals zu schaf­ fen, welches durch einen körperlich großen integrierten Schaltungswiderstand hindurchfließt, der mit einer großen verteilten, parasitären Kapazität verbunden ist.

Ziel der Erfindung ist es ferner, einen integrierten Schal­ tungsverstärker zu schaffen, der neben einem sehr großen Rückkopplungswiderstand auch ein hochstabiles Schaltungsbe­ triebsverhalten ohne ein wesentliches Signalüberschwingen oder eine wesentliche Oszillation in seiner Pulsantwort aufweist.

Die Erfindung führt in Übereinstimmung mit einem Ausfüh­ rungsbeispiel zu einer Technik zur Reduzierung oder Vermei­ dung einer durch eine verteilte Kapazität in einem groß ausgelegten Dünnfilm-Widerstand einer integrierten Schal­ tung erzeugten Phasenverschiebung durch Anlegen eines Si­ gnals sowohl an einen ersten Anschluß des Widerstands als auch an einen Anschluß eines darunterliegenden Diffusions­ bereichs, der aus einem dotierten Materialbereich besteht, dessen Widerstandswert wesentlich geringer ist als der des diffundierten Widerstands. Ein gegenüberliegendes Ende des Epitaxiebereichs wird mit einem Erdleiter oder einem Refe­ renzspannungsleiter verbunden. Das gegenüberliegende Ende des Dünnfilm-Widerstands ist mit einer Empfangsschaltung verbunden, derart, daß gleiche Spannungsgradienten im Dünn­ film-Widerstand und in dem darunterliegenden Epitaxiebe­ reich hervorgerufen werden. Da die Spannungsgradienten gleich sind, fließen praktisch keine inkrementalen Ladungs­ ströme über die verteilte Kapazität zwischen dem Dünnfilm- Widerstand und der Epitaxieschicht, so daß demzufolge auch keine Phasenverschiebung im Signal auftritt, das durch den Dünnfilm-Widerstand hindurchfließt. Der Dünnfilm-Widerstand arbeitet als Rückkopplungswiderstand in einem Isolations­ differentialverstärker, der einen Operationsverstärker ent­ hält, dessen Ausgang mit einem Anschluß des Dünnfilm-Wider­ stands verbunden ist und dessen invertierender Eingang mit dem anderen Ende bzw. Anschluß des Dünnfilm-Widerstands verbunden ist. Der invertierende Eingang des Operationsver­ stärkers ist über einen großen Eingangswiderstand mit dem invertierenden Eingang des Isolationsdifferentialverstär­ kers verbunden. Ein zweiter Eingangswiderstand liegt zwi­ schen dem nicht-invertierenden Eingang des Differentialver­ stärkers und einem nicht-invertierenden Eingang des Opera­ tionsverstärkers. Ein erster Spannungsteilerwiderstand liegt zwischen dem invertierenden Eingang des Operations­ verstärkers und der Erdreferenzspannung. Ein zweiter Span­ nungsteilerwiderstand liegt dagegen zwischen dem nicht-in­ vertierenden Eingang des Operationsverstärkers und der Erd­ referenzspannung. Die Eingangswiderstände, die mehrere 100 kOhm betragen, bilden in Kombination mit den Spannungstei­ lerwiderständen eine Spannungsteilerschaltung, die große Gleichtakt-Eingangsspannungen des Differentialverstärkers auf sehr viel kleinere Gleichtakt-Eingangsspannungen herun­ terdividiert, die an die Eingänge des Operationsverstärkers angelegt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltungsdiagramm eines Hoch­ gleichtakt-Spannungsdifferenzverstärkers,

Fig. 2A eine schematische Teilperspektivansicht eines Dünnfilm-Rückkopplungswiderstands, wobei das eine Ende des Rückkopplungswiderstands und der darun­ terliegenden epitaktischen Wanne durch dasselbe Signal angesteuert werden und das gegenüberliegen­ de Ende der epitaktischen Wanne mit Erdspannung verbunden ist,

Fig. 2B eine schematische Teilperspektivansicht eines Dünnfilm-Eingangswiderstands, wobei das eine Ende des Eingangswiderstands und der darunterliegenden epitaktischen Wanne durch ein Eingangssignal ange­ steuert werden und das gegenüberliegende Ende der epitaktischen Wanne geerdet ist,

Fig. 2C eine Teilquerschnittsansicht entlang der Linie 2C-2C von Fig. 2A,

Fig. 3A bis 3D eine Folge von alternativen Schaltungsver­ bindungen zur Erläuterung der Vorteile der Erfin­ dung, und

Fig. 4A bis 4D eine Sequenz von Diagrammen zur jeweiligen Darstellung von Pulsantworten der Schaltungen nach den Fig. 3A bis 3D.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Präzisions-Hoch­ gleichtakt-Isolations-Spannungsdifferentialverstärker mit Einheitsverstärkung (unity-gain) bezeichnet, der in Form einer integrierten Schaltung aufgebaut ist. Der Differen­ tialverstärker 1 enthält eine herkömmliche und als inte­ grierte Schaltung vorhandene Operationsverstärkerschaltung 2, deren Ausgang mit einem Ausgangsleiter 5, deren inver­ tierender Eingang mit einem Leiter 15 und deren nicht-in­ vertierender Eingang mit einen Leiter 16 verbunden sind. Die Operationsverstärkerschaltung 2 kann irgendeine in Form einer integrierten Schaltung aufgebaute Operationsverstär­ kerschaltung sein, die mit typischen Versorgungsspannungen von ± 15 V arbeitet.

Der Leiter 16 ist über einen Dünnfilm-Nichrome-Widerstand 10 mit einem Erdleiter 11 verbunden. Ferner ist der Leiter 16 über einen Dünnfilm-Widerstand 9 mit dem nicht-invertie­ renden Eingang 4 des Isolationsdifferenzverstärkers 1 ver­ bunden. Ein Eingangswiderstand 7 liegt zwischen dem inver­ tierenden Eingang 15 des Operationsverstärkers 2 und dem invertierenden Eingang 3 des Isolationsdifferenzverstärkers 1.

Ein weiterer Nichrome-Dünnfilm-Widerstand 8 liegt zwischen dem Leiter 15 und einem Erdleiter 11. Ein Rückkopplungswi­ derstand, der allgemein mit dem Bezugszeichen 6 versehen ist, liegt zwischen dem Ausgangsleiter 5 und dem invertie­ renden Eingang 15 des Operationsverstärkers 2. Die Bezugs­ zeichen 6-1, 6-2, ..., 6-N bezeichnen N hypothetische Ab­ schnitte des Rückkopplungswiderstands 6, der ebenfalls ein Dünnfilm-Nichrome-Widerstand ist. (Der Rückkopplungswider­ stand 6 ist körperlich nicht in N-Abschnitte unterteilt, jedoch ist es hilfreich, den Rückkopplungswiderstand 6 in dieser Weise darzustellen, um die verteilten Kapazitäten zwischen dem Dünnfilm-Rückkopplungswiderstand 6 und der do­ tierten, epitaktischen Unterlageschicht vom N-Typ (Bereich 12) verdeutlichen zu können.)

In Übereinstimmung mit der Erfindung ist ein Ende der epi­ taktischen Schicht 12 vom N-Typ mit dem Ausgangsleiter 5 verbunden, und zwar benachbart zu einem entsprechenden Ende des Nichrome-Rückkopplungswiderstands 6. Das gegenüberlie­ gende Ende der epitaktischen Schicht 12 ist mit dem Erdlei­ ter 11 verbunden. In Fig. 1 ist die epitaktische Schicht 12 schematisch durch N hypothetische Serienwiderstände 12-1, 12-2, ..., 12-N dargestellt. Kapazitäten 34-1, ..., 34-N liegen zwischen gleichen Teilen oder Abschnitten des Ni­ chrome-Rückkopplungswiderstands 6 und der epitaktischen Schicht 12, um die Verteilung der parasitären Kapazitäten 34 zwischen dem Dünnfilm-Widerstand 6 und der darunterlie­ genden epitaktischen Schicht 12 zu illustrieren.

Der Isolationsdifferentialverstärker 1 kommt im INA117 Prä­ zisions-Hochgleichtakt-Spannungsdifferentialverstärker mit Einheitsverstärkung (Unity-Gain) des Anmelders zum Einsatz, der kürzlich auf dem Markt eingeführt worden ist. In diesem Produkt weisen die Widerstände Werte entsprechend der nach­ folgenden Tabelle auf:

Widerstand
Widerstandswert (kOhm)
6|R 2 = 380
7	R 1 = 380
8	R 5 = 21,11
9	R 3 = 380
10	R 4 = 20

Mit den zuvor angegebenen Widerstandswerten arbeitet die Schaltung nach Fig. 1 als Isolationsdifferenzverstärker mit einem durch 20 dividierten Eingangsdämpfungsnetzwerk und mit einer um 20 multiplizierten Verstärkung für den Opera­ tionsverstärker 2, und zwar mit dem zugehörigen Rückkopp­ lungswiderstand R 2 und dem Eingangswiderstand R 1. Da die Eingangsdämpfungsschaltung das an den Eingangsleitern 3 und 4 anliegende Gleichtakt-Eingangssignal um einen Faktor 20 herunterdividiert, erscheint ein an den Eingangsleitern 3 und 4 liegendes 200 V-Gleichtaktsignal als 10 V-Gleichtakt­ signal an den Leitern 15 und 16. Ein AC-(Wechselstrom)-Ein­ gangssignal am Leiter 4 wird um einen Faktor 20 gedämpft, wenn es den Leiter 15 erreicht, und dann durch den Verstär­ ker 2 und seinen Rückkopplungswiderstand 6 rückverstärkt, und zwar mit einem Faktor 20. Ein AC-Eingangssignal am Lei­ ter 3 wird durch den Verstärker 2 invertiert. Durch Überla­ gerung wird dann das Differentialeingangssignal zwischen den Leitern 3 und 4 mit der Einheitsverstärkung wirksam multipliziert, was durch die gesamte Schaltung nach Fig. 1 erfolgt.

Es läßt sich erkennen, daß der Eingangswiderstand des Iso­ lationsdifferenzverstärkers 1 bei 400 kOhm liegt. Dies führt zu einem inneren Ruheleistungsverbrauch von etwa 200 mW, wenn die Amplitude der Gleichtakt-Eingangsspannung 200 V beträgt. Das gemessene Rauschen ist äquivalent zu 0,01% des Vollausschlag-(10 V)-Eingangssignals, was einen akzep­ tablen Wert darstellt.

Die verteilte Kapazität im 380 kOhm Rückkopplungswiderstand 6 bildet ein Phasenschiebernetzwerk. Aufgrund des ungewöhn­ lich hohen Widerstandswerts des Rückkopplungswiderstands 6 waren Maßnahmen zur Reduzierung der Phasenverschiebung er­ forderlich, um die Schleifenstabilität zu garantieren. Zu diesem Zweck wurde zunächst die verteilte Kapazität 34 mi­ nimiert, und zwar durch Eliminierung der Laser-Trimmabgrif­ fe am Widerstand 6, so daß nur noch die großen Trimmabgrif­ fe mit ihrer verteilten Kapazität am weniger kritischen Wi­ derstand 7 und nicht mehr am Rückkopplungswiderstand 6 vor­ handen waren. Ferner wurde ein Dünnfilm-Nichrome-Rückkopp­ lungswiderstand 6 auf einem Oxid einer in ihrer Größe sorg­ fältig ausgebildeten epitaktischen Wanne vom N-Typ gebil­ det, die eine Unterlage für den Rückkopplungswiderstand 6 sowie einen epitaktischen Widerstand 12 mit einem Wider­ standswert von etwa 20 kOhm darstellt.

Die Fig. 2A zeigt einen Nichrome-Dünnfilm-Widerstand 6 mit serpentinenartiger bzw. Mäanderstruktur auf einer Feldoxid­ schicht 26, die innerhalb einer gewöhnlichen bipolaren und integrierten Schaltungsstruktur auf einem epitaktischen Wannenbereich 12 vom N-Typ liegt. (Zur einfacheren Darstel­ lung sind die üblichen P+ Isolationsbereiche und das Unter­ lagesubstrat vom P-Typ nicht dargestellt.)

Die parasitäre Kapazität 34 in Fig. 1 wird durch den Ni­ chrome-Widerstand 6 erhalten, der als obere Platte der ver­ teilten parasitären Kapazität 34 wirkt. Der epitaktische Bereich 12 wirkt als untere Platte. In Übereinstimmung mit der Erfindung ist der serpentinenartige Aufbau des Ni­ chrome-Widerstands 6 gleichförmig, wobei er sich wieder­ holt. Die Form des epitaktischen Bereichs 12 ist rechtwin­ kelig. Ein Ende des serpentinenartigen Nichrome-Rückkopp­ lungswiderstands 6 ist über einen elektrischen Kontakt 29 mit dem Ausgangsleiter 5 des Operationsverstärkers 2 ver­ bunden. Der Ausgangsleiter 5 ist ferner direkt über einen Kontakt 31 mit der epitaktischen Wanne 12 (tub) verbunden. (Um einen guten Kontakt zu erhalten, kann statt einer Punktverbindung gemäß Fig. 2A die Verbindung 31 auch so ausgeführt werden, daß ein Aluminiummetall durch eine ge­ eignet verlängerte Kontaktöffnung in der Oberfläche der Oxidschicht 26 hindurchragt.)

Das gegenüberliegende Ende des Nichrome-Rückkopplungswider­ stands 6 ist über eine Aluminiummetallisierung (Leiter 15), die einen Kontakt am Punkt 28 bildet, mit dem Leiter 15 verbunden. Ferner ist das gegenüberliegende (vordere) Ende der epitaktischen Wanne 12 über einen geeigneten Kontakt 30 mit dem Erdleiter 11 verbunden. (Auch dieser Kontakt 30 kann durch eine Aluminiummetallisierung realisiert werden, die durch eine geeignet verlängerte Kontaktöffnung in der Oxidschicht 26 hindurchragt, um einen elektrischen Kontakt zur epitaktischen Schicht 12 herzustellen.)

Bei dem oben beschriebenen Aufbau von Nichrome-Rückkopp­ lungswiderstand 6 und epitaktischer Widerstandswanne 12 (Widerstandsschicht) sowie mit dem genannten Leiter 15, der im Ergebnis mit einer virtuellen Erde verbunden ist, läßt sich erreichen, daß die Ausgangsspannung am Leiter 5 gleichförmig über gleiche hypothetische Widerstände 6-1, 6-2, usw. des Nichrome-Widerstands 6 und auch gleichförmig über gleiche hypothetische Widerstände 12-1, 12-2, usw. der epitaktischen Schicht 12 abfällt, wenn ein Ausgangsstrom vom Leiter 5 über den Rückkopplungswiderstand 6 zum Leiter 15 fließt, der gleichzeitig auch über den epitaktischen Wi­ derstand 12 zum Erdleiter 11 fließt. Es stellen sich somit im Ergebnis gleiche Spannungsgradienten von vorn nach hin­ ten im Dünnfilm-Widerstand 6 und in der epitaktischen Schicht 12 ein, so daß die Differentialspannung über jede der hypothetischen und verteilten Kapazitäten 34-1, ..., 34-N Null ist. Daraus folgt, daß auch der Strom i, der jede der verteilten Kapazitäten lädt, ebenfalls Null ist.

In Übereinstimmung mit der Erfindung sind daher die Lade­ ströme für die verteilten Kapazitäten Null. Der Rückkopp­ lungswiderstand 6 und die mit ihm verbundenen parasitären Kapazitäten rufen somit keine Phasenverschiebung mehr in demjenigen Teil des Ausgangssignals am Leiter 5 hervor, der zur virtuellen Erde am invertierenden Eingang 15 des Opera­ tionsverstärkers 2 zurückgekoppelt wird.

Es sei darauf hingewiesen, daß parasitäre Kapazitäten zwi­ schen dem epitaktischen Bereich 12 vom n-Typ und dem nicht dargestellten Substrat vom p-Typ vernachlässigt werden kön­ nen, und zwar aufgrund des niedrigen Werts des Widerstands des Bereichs 12.

Fig. 2C stellt einen Schnitt entlang der Linie 2C-2C in Fig. 2A dar und zeigt den Stromfluß in Richtung des Pfeils 32 vom Leiter 5 über den Nichrome-Rückkopplungswiderstand 6 zum invertierenden Eingangsleiter 15 und gleichzeitig den Stromfluß durch den epitaktischen Widerstand 12 in Richtung des Pfeils 33 vom Operationsverstärker-Ausgangsleiter 5 zum Erdleiter 11. In Fig. 2C ist ebenfalls zu erkennen, daß die oben erwähnten inkrementalen Ladungsströme i für die ver­ teilten Kapazitäten gleich Null sind.

Die Fig. 2B zeigt eine alternative oder zusätzliche Anwen­ dungsform der bereits oben beschriebenen großen Dünnfilm- Widerstandsstruktur, die sich auch zur Bildung des Ein­ gangswiderstands 7 verwenden läßt, falls dies gewünscht ist.

Vorteilhafte Ergebnisse der oben beschriebenen Technik wer­ den nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 3A bis 3D und 4A bis 4D näher beschrieben. Die Fig. 3A zeigt einen Aufbau der Schaltung nach Fig. 2A, bei dem die Verbindung 31 der epitaktischen Schicht 12 zum Ausgangsleiter 5 fortgelassen ist. Die Fig. 4A zeigt dagegen die Ausgangsspannung am Lei­ ter 5 in Antwort auf einen 100 mV Eingangspuls von 10 µs Dauer. In der Ausgangswellenform erscheinen ein großer Überschwinganteil und ein großer Unterschwinganteil mit je­ weils nachfolgender gedämpfter Oszillation. Der Über­ schwinganteil kann nicht akzeptiert werden, da er zu einer langen Signaleinschwingzeit führt.

Entsprechend der Fig. 3B sind beide Enden der epitaktischen Schicht 12 vom Ausgangsleiter 5 bzw. Erdleiter 11 getrennt. Die Pulsantwort dieser Schaltung nach Fig. 3B (der obige Puls) ist in Fig. 4B gezeigt. Es läßt sich erkennen, daß die Amplituden des Überschwinganteils und des Unterschwing­ anteils sowie die des nachfolgenden "Klingelns" reduziert sind.

Entsprechend der Fig. 3C ist das rechte Ende der epitakti­ schen Schicht 12 am Punkt 31 mit dem Ausgangsleiter 5 ver­ bunden. Das linke Ende der epitaktischen Schicht 12 ist nicht mit dem Erdleiter 11 verbunden. Die entsprechende Pulsantwort ist in Fig. 4C gezeigt, bei der ein großer Teil sowohl der vorderen als auch der hinteren Kante der Aus­ gangsantwort abgerundet bzw. gefiltert ist.

Schließlich sind in Fig. 3D die gegenüberliegenden Enden der epitaktischen Schicht 12 in der Weise verschaltet, wie dies in Fig. 2A gezeigt ist. Die entsprechende Pulsantwort ist in Fig. 4D dargestellt. Der nach Fig. 4D erhaltene Aus­ gangspuls stellt ein perfekte Abbildung des Eingangspulses dar. Dieser Ausgangspuls nach Fig. 4D ist somit wesentlich gegenüber den Wellenformen nach den Fig. 4A, 4B und 4C ver­ bessert.

Die oben beschriebene Schaltungsausführung zeigt, daß die Schaltung nach Fig. 2A mit den einen hohen Widerstandswert aufweisenden Nichrome-Widerständen, die zur Kompensation der obigen Techniken dienen, nach denen Verbindungen zu ge­ genüberliegenden Enden der darunterliegenden epitaktischen Schicht 12 hergestellt werden, zu einem Präzisions-Hoch­ gleichtakt-Isolations-Spannungsdifferentialverstärker mit Einheitsverstärkung (Unity-Gain) führt, der in vielen Be­ reichen zum Einsatz kommen kann, wenn eine sehr hohe Gleichtaktunterdrückung von Gleichtakt-Eingangsspannungen von ± 200 V oder mehr erreicht werden soll und keine per­ fekte galvanische Isolation erforderlich ist. Es gibt ver­ schiedene Anwendungsbereiche, bei denen die Genauigkeit dieser Schaltung höchst wünschenswert ist. Die Schaltung kann dann ohne eine isolierte "ront-end"-Spannungsversor­ gung (vorderseitige Spannungsversorgung) verwendet werden, z. B. in Batteriezellen-Überwachungsschaltungen, Brücken­ verstärker-Laststrommonitoren, Leckstrom-Testmonitorschal­ tungen, und dergleichen.

Die Schaltung nach den Fig. 1, 2A eignet sich in idealer Weise dafür, Spannungspegel-Übersetzungsprobleme in einigen Schaltungsanwendungen zu lösen. Weder Gleichtaktsignale noch Differenzsignale bis herauf zu ± 500 V Gleichspannung (DC) können die Schaltung nach Fig. 2A beschädigen. Diese Schaltung arbeitet darüber hinaus etwa zehnmal genauer als ein Isolationsverstärker bei 1/5 bis 1/10 der Anwendungsko­ sten, wenn keine perfekte galvanische Isolation erforder­ lich ist.

Bei der physikalischen Realisierung des Isolationsdifferen­ tialverstärkers nach Fig. 2A auf einem monolithischen inte­ grierten Schaltungschip stellen die Probleme der physikali­ schen Anpassung und symmetrischen Plazierung der fünf Wi­ derstände eine erhebliche Aufgabe dar, die durch Untertei­ lung des 20 kOhm Widerstands R 4 in zwei parallele Abschnit­ te von 21,111 kOhm und 380 kOhm gelöst worden ist. Mit ei­ nem 380 kOhm-Teil des Widerstands R 1, angepaßt an den 380 kOhm-Rückkopplungswiderstand R 2, sowie mit dem 21,111 kOhm- Teil, angepaßt an den anderen 21,111 kOhm-Widerstand R 5, läßt sich eine nahezu perfekte Symmetrie erzielen. Die Wi­ derstände wurden auf dem Chip symmetrisch angeordnet, um ein möglichst gutes thermisches Gleichgewicht zu erhalten.

Claims (5)

1. Integrierte Widerstandsschaltungsstruktur, gekenn­ zeichnet durch eine isolierte, dotierte Schicht (19), eine Isolationsschicht (18) auf der Epitaxieschicht (19), einen auf der Isolationsschicht (18) liegenden Dünnfilm-Wider­ stand (7) mit hohem Widerstandswert und eine Einrichtung zur Reduzierung einer Phasenverschiebung eines den Dünn­ film-Widerstand (7) durchfließenden Signals, wobei die Ein­ richtung zur Verminderung der Phasenverschiebung folgendes in Kombination enthält:

• (a) erste Mittel zum Anlegen einer AC-Referenzspannung an einen ersten Anschluß (22) des Dünnfilm-Widerstands (7),
• (b) zweite Mittel zum Anlegen einer DC-Referenzspannung (11) an einen ersten Teil (23) der isolierten, dotier­ ten Schicht (19) und
• (c) dritte Mittel (3) zum Anlegen eines ersten Signals so­ wohl an einen zweiten Anschluß (20) des Dünnfilm-Wider­ stands (7) als auch an einen zweiten Teil (21) der iso­ lierten, dotierten Schicht (19) zwecks Erzeugung eines ersten Stroms, der durch den Dünnfilm-Widerstand (7) hindurchfließt und darin einen ersten Spannungsgradien­ ten hervorruft, sowie eines zweiten Stroms, der durch die isolierte, dotierte Schicht (19) hindurchfließt und darin einen zweiten Spannungsgradienten hervorruft, derart, daß der erste und der zweite Spannungsgradient im wesentlichen gleich sind, so daß praktisch keine La­ deströme über die parasitäre Kapazität zwischen dem Dünnfilm-Widerstand (7) und der isolierten, dotierten Schicht (19) fließen und der Einfluß der verteilten pa­ rasitären Kapazität auf den ersten Strom im wesentli­ chen vermieden wird, wenn dieser durch den Dünnfilm-Wi­ derstand (7) hindurchfließt (Fig. 2B).

2. Einrichtung zur Reduzierung der Phasenverschiebung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dünnfilm- Widerstand (7) eine symmetrische, serpentinenartige Struk­ tur aufweist.

3. Einrichtung zur Reduzierung der Phasenverschiebung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierte, dotierte Schicht (19) vom N-Typ ist und der Dünnfilm-Wider­ stand (7) aus Nichrome hergestellt ist.

4. Einrichtung zur Reduzierung der Phasenverschiebung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und die zweiten Mittel in einem Operationsverstärker (2) vor­ handen sind, dessen Ausgang mit dem ersten Anschluß (29) des Dünnfilm-Widerstands (6) und dem ersten Teil des Epi­ taxiebereichs (12) verbunden ist, und dessen invertierender Eingang (-) mit dem zweiten Anschluß (28) des Dünnfilm-Wi­ derstands (6) verbunden ist, und daß Mittel zum Anlegen ei­ ner Erdspannung an einen nicht-invertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers (2) vorhanden sind (Fig. 2A).

5. Isolationsdifferentialverstärker, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Mittel:

• (a) einen ersten invertierenden Eingang (3), einen ersten nicht-invertierenden Eingang (4) sowie einen ersten Ausgang (5),
• (b) eine Verstärkerschaltung mit einem zweiten invertieren­ den Eingang (-), einem zweiten nicht-invertierenden Eingang (+) und einem Ausgang, der mit dem ersten Aus­ gang (5) gekoppelt ist, einem ersten und einem zweiten Versorgungsspannungsanschluß sowie mit einem Referenz­ spannungsleiter (11),
• (c) eine elektrisch isolierte, dotierte Schicht (12),
• (d) eine Isolationsschicht (26) auf der isolierten, dotier­ ten Schicht (12),
• (e) einen Dünnfilm-Widerstand (6) mit hohem Widerstandswert auf der Isolationsschicht (26), von dem ein erster An­ schluß (29) mit dem ersten Ausgang (5) und ein zweiter Anschluß (28) mit dem zweiten invertierenden Eingang (-) verbunden sind,
• (f) einen ersten Eingangswiderstand (9) zwischen dem ersten nicht-invertierenden und dem zweiten nicht-invertieren­ den Eingang (4, +),
• (g) einen ersten Spannungsteilerwiderstand (10) zwischen dem Referenzspannungsleiter (11) und dem zweiten nicht­ invertierenden Eingang (+), und
• (h) eine Einrichtung zur Verringerung der Phasenverschie­ bung eines den Dünnfilm-Widerstand (6) durchfließenden Signals, die folgendes enthält:
• (i) erste Mittel (7, 8, 15) zum Anlegen einer AC-Re­ ferenzspannung an den zweiten Anschluß (28) des Dünn­ film-Widerstands (6),
• (ii) zweite Mittel zum Anlegen einer Referenzspannung an den Referenzspannungsleiter (11) zu einem ersten Teil (30) der isolierten, dotierten Schicht (12), und
• (iii) dritte Mittel zum Anlegen eines am ersten Aus­ gang (5) erzeugten Signals sowohl an den ersten An­ schluß (29) des Dünnfilm-Widerstands (6) als auch an einen zweiten Teil (31) der epitaktischen Schicht (12) zur Erzeugung eines ersten Stroms, der den Dünnfilm-Wi­ derstand (6) durchfließt und darin einen ersten Span­ nungsgradienten hervorruft, und eines zweiten Stroms, der die epitaktische Schicht (12) durchfließt und darin einen zweiten Spannungsgradienten hervorruft, derart, daß der erste und der zweite Spannungsgradient im we­ sentlichen gleich sind, so daß praktisch keine Lade­ ströme über die parasitäre Kapazität zwischen dem Dünn­ film-Widerstand (6) und der epitaktischen Schicht (12) fließen und die Phasenverschiebung des ersten Stroms im wesentlichen vermieden wird, wenn dieser durch den Dünnfilm-Widerstand (6) fließt (Fig. 2A).