Das MOS - FET Taschen DVM, das nie produziert wurde

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1     Einführung

Kürzlich berichtete ich im RM über meine persönlichen Erfahrungen im Umgang mit der Integrierten Linear - Schaltung TAA320 mit MOS - FET Eingangsstufe, für die wir im Qualitätslabor für Integrierte Techniken Abt. MOS (QL-IT-MOS) der VALVO / PHILIPS Hamburg die routinemäßigen Qualitätssicherungstests durchführen mussten.

Im gleichen Zeitraum erhielt ich von unserem britischen PHILIPS Partner, der "A.S.M. Ltd., MULLARD Southampton Works" firmeninterne Berichte mit den vorläufigen Daten von zwei MOS-FET ICs: einem Analog - Digitalwandler (ADC) FEY101 und einem 4 - Dekadenzähler FEJ271. Die Berichte sollten mich auf das baldige Eintreffen erster Probemuster dieser ICs bei der VALVO vorbereiten, mit denen man plante, revolutionär kleine Taschen - Digitalvoltmeter (DVM) mit NIXIE - Anzeige in der Größe zweier Zigarettenschachteln, zu bestücken. 

Dazu muss man wissen, dass zwischen  MULLARD und PHILIPS seit 1923 eine enge  Kooperation im Bereich der Vakuumröhren - Fabrikation existierte. Ab Mitte der 1960er Jahre schlossen sich neben PHILIPS, MULLARD, und VALVO zahlreiche andere Unternehmen der Elektronikbranche zum  ELCOMA (Electronic Componenets and Materials) Firmenverbund zusammen. Zusätzlich zu seinen  Niederlassungen für die Röhrenproduktion in Blackburn und Mitcham hatte Mullard 1957 eine Produktionsstätte im Southampton Millbrook Trading Estate eröffnet, wo man sich zunächst nur auf die Fabrikation von Ge - Transistoren konzentrierte, ab 1967 aber auf die Entwicklung und Fabrikation von Integrierte Schaltungen überging. 1962 beschlossen MULLARD und GEC ihre Aktivitäten in der Halbleiterproduktion zu bündeln und gründeten das oben genannte Unternehmen A.S.M. Ltd. MULLARD Southampton Works. Innovationen im Bereich der MOS-FET Technlologie stammten in dieser Zeit häufig aus den Labors der A.S.M.

Natürlich verglich man den Zählerbaustein FEJ271 in der ersten Euphorie mit den damals als besonders fortschrittlich geltenden Universalzählern mit Nixie - Anzeige und der ersten Generation von SN74xx TTL ICs,  wie dem GRUNDIG UZ83, und alle Welt staunte, wie man mit zwei kleinen ICs FEJ271  in DIP-16 Gehäuse einen 8 - stelligen Zähler bauen konnte.

Hier Bilder des UZ83 als 19" Einschub und von 2 Karten. Oben eine Zähldekade mit 1 x SN7490 als Dekadenzähler und der zur Nixie - Ansteuerung notwendigen Elektronik, unten der Zeitbasis - Frequenzteiler mit 7 x SN7490.

Der schnell gezogene Vergleich mit Geräten der absoluten Spitzenklasse war zwar nicht ganz fair, denn der UZ83 hatte eine Vielzahl von Betriebsoptionen, eine obere Zählfrequenz von 50 MHz (FEJ271 ⇒1,5 MHz) und eine durch die Verwendung eines Quarzthermostaten hochstabile Zeitbasis - aber anfangs war der bloße Größenvergleich sehr werbewirksam.

In dem hier folgenden Bericht möchte ich auf den Aufbau und das Schicksal dieses von MULLARD konzipierten Taschen DVM eingehen.

2     Der Analog - Digitalwandler FEY101

Die essentielle Komponente jedes Digitalvoltmeters besteht im Analog - Digitalwandler, der die zu messende Spannung in eine Impulsfolge umwandelt, deren Frequenz durch einen Frequenzmesser ermittelt und angezeigt wird. Der hier besprochene Analog - Digitalwandler war übrigens nur für Gleichspannungen konzipiert und hat nichts mit den "schnellen" Wandlern zu tun, wie sie z.B. in der nuklearen Messtechnik zur Aufnahme von Impulsspektren oder in der Audio / Videotechnik verwendet werden.

Hier zunächst die Frontseite des vorläufigen Datenblatts des Analog - Digitalwandlers FEY101 vom Mai 1971. Die vollständigen Datenblätter sind auf der RM - Seite des FEY101 abgelegt. (spätere detaillierte Dokumentation steht mir leider nicht zur Verfügung):

Unten der interne Logikplan des FEY101.

Im Gegensatz zu frühen MOS-FET ICs enthielt diese Generation an den Eingängen (DC - Eingang und Bereichsüberschreitung) bereits Gate - Schutzdioden, hier mit dem Kürzel G.P. gekennzeichnet (Gate Protection).

Der FEY101 enthielt 22 Flip-Flops und 59 Gatterfunktionen - alles in einem DIP-16 Gehäuse und wurde 1971 mit Recht als LSI (Large Scale Integration) Baustein bezeichnet.

3     Der 4 - Dekadenzähler FEY101

Ein Auszug aus den Datenblättern mit der vorläufigen Spezifikation:

Nachfolgend wieder der interne Logikplan des FEJ271:

Verglichen mit dem A/D-Wandler FEY101 ist der Aufbau des Zählerbausteins FEJ271 recht unkompliziert.

Zusätzlich zum Eingang für die zu zählenden Pulse I (Pin 2) erhielt der FEJ271 samtliche für den getakteten Zählvorgang benötigten Steuersignale vom FEY101:

1. Den Clock - Puls Ø (Pin 10) für die dynamische Steuerung der Daten - Aufnahme und - Ausgabe.
2. Das Transfer Signal T (Pin 15) für den Übertrag des Zählresultats vom Zähler in den Zwischenspeicher.
3. Den Anzeigebefehl N_I (Pin 8) für die Freigabe der Datenausgänge an den externen BCD - Dezimal-Dekoder.
4. Den Resetpuls R (Pin 16) um einen neuen Zählvorgang einzuleiten.
5. Das Übertragsbit an Qc (Pin 9), um für größere Anzeige -  Stellenzahl weitere Zählbausteine ansteuern zu können (z.B. Erweiterung von 4 Stellen auf 8 Stellen).

Die Ausgänge Q₁, Q₂, Q₄ und Q₈ des FEJ271 lieferten das BCD - kodierte Ergebnis des Zählvorgangs, die Ausgänge S₁, S₂, S₃ und S₄ die Auftast (Anwahl-) Signale für die Anoden der 4 Nixie -  Röhren.

4    Das von MULLARD geplante Digital Voltmeter

4.1     Blockschaltbild

In den vorläufigen Datenblättern der beiden ICs wurde auch die geplante Zusammenschaltung und die für den Aufbau eines kompletten Digitalvoltmeters notwendige Peripheriebeschaltung skizziert:

Links im Bild sieht man die übliche Vergleicherschaltung mit einem Operationsverstärker (OP), an dessen nicht - invertierenden Eingang (+) die zu messende Gleichspannung gelegt wird, an den invertierenden Eingang (-) eine durch einen Chopper getaktete Spannungsrampe. Die Frequenz des Taktgenerators (Clock) konnte durch einen externen Kondensator zwischen 4 und 16 KHz variiert werden.

Übersteigt die Spannungsrampe die zu messende Spannung, so geht der Ausgang des OP - Verstärkers von HIGH auf LOW - Potential. Durch diesen Potentialwechsel wird ein flankengesteuertes JK-Flip-Flop konditioniert, dessen Ausgang bei der nächsten aktiven Clock - Flanke auf LOW fällt. Der Chopper S wird daraufhin angewiesen, den Rampengenerator auf die entgegengesetzte Referenzspannung umzuschalten.

Dieser Umladeprozess läuft solange, bis die Rampenspannung wieder unter die zu messende Spannung abgesunken ist und der Ausgang D des OP - Verstärkers und damit die J/K Eingänge des JK-Flip-Flops wieder auf HIGH zurückgehen. Bei der nächsten aktive Clock-Flanke wird der Rampengenerator erneut umgepolt.

Während der zyklisch auf- und absteigenden Rampen werden Clockpulse in einen 5 - bit Vorwärts - Rückwärts - Zähler (VR - Zähler) gezählt. Aus dem Verhältnis der Vorwärts- und Rückwärts - Pulse erkennt der Polaritätsdetektor, ob es sich um eine positive oder negative Eingangsspannung handelt und steuert die Polaritätsanzeige (einfache Glimmlampe) an.

Die den VR -Zähler innerhalb eine Messzyklusses verlassenden "Überlauf" - Clockpulse werden noch weiterverarbeitetet, bevor sie an den -Dekadenzähler FEJ271 übergeben werden. Der Restinhalt des VR - Zählers wird dazu addiert, das Ergebnis zwischengespeichert und abschließend an die Anzeigeeinheit übergeben.

Eine Schilderung der gesamten, sehr komplexen Pulsverarbeitung im FEY101 würde den Rahmen dieses Berichts sprengen. Mir ging es hier eher um die prinzipielle Strategie der A/D - Wandlung mit Polaritätsidentifikation.

Da die Messgenauigkeit des DVM von der Spannungskonstanz des Rampengenerators abhängt, wird dieser an einer hochstabilen Referenzspannungsquelle betrieben (Kasten links untern). die Referenzspannungsquelle liefert sowohl eine positive  P_Ref, als auch eine negative Referenzspannung N_Ref, im vorliegenden Fall ±2 V.

Der Kasten rechts unten enthält schematisert die gesamte Anzeigeeinheit, die im folgendem Schaltbild des praktischen Aufbaus noch einmal genauer erklärt wird.:  

4.2     Der praktische Aufbau

Leider ist die einzige mir noch verbliebene Unterlage zur praktischen Umsetzung des DVM die schlechte Kope einer Handzeichnung von 1971. Die wesentlichen Punkte kann man aber hoffentlich noch erkennen.

Vergleicher

Der eingangsseitige Vergleicher zwischen der angelegten Spannung U_x und den Spannungsrampen wurde mit einem Operationsverstärker TBA221 (= µA741) bestückt. Zwecks Vergrößerung des Eingangswiderstands der Schaltung wurde der Eingangs - Differenzverstärker des TB221 mit dem  Feldeffekt-Sperrschicht-Transistorpärchen BFS21 aufgestockt. Zum besseren Verständnis links die innere Beschaltung des TBA221.

Konstanter Querstrom durch die BFS21 Transistoren wurde durch eine Stromquelle mit dem BFW12 realisiert.

As Referenzspannungen (Oberspannungen) P_Ref und N_Ref wurden ± 2 V gewählt. Die Chopper - MOS - FETs, die alternierend die positive (Pin 16) oder negative Referenzspannung (Pin 14) an den Vergleicher (Pin 15) legen, sind im Block des FEY101 angedeutet.

Referenzspannungen

Die Bereitstellung der Referenzspannungen von ± 2 V geschah auf recht ungewöhnliche Weise: Eine mit dem BFW11 bestückte Konstantstromquelle treibt einen Strom durch die Zenerdiode BZY88 und parallel dazu durch die Widerstandskette 2 KΩ ⇒ 2 KΩ ⇒ 2,2 KΩ ⇒ 50Ω. Wählt man eine 6,2 V Zenerdiode, so fallen an den Widerständen 2 V, 2V und 2,2 V ab. Der regelbare Widerstand von 50 dient dem Ausgleich von Fertigungstoleranzen. Die beiden 2 KΩ Widerstände sind mit 0,1 % toleriert!

Die Wahl einer 6,2 V Zenerdiode hatte 2 Gründe: (i) Die Zenerspannung passte gut zu den angestrebten Spannungsniveaus der Referenzspannung und (ii) der Temperaturkoeffizient der Durchbruchspannung liegt sehr niedrig (geringe Temperaturabhängigkeit der Referenzspannungen).

Legt man nun die untere Schiene des Messeingangs an den Verbindungspunkt zwischen den beiden 2 KΩ Widerständen, so liegen die Referenzspannungen von ±2 V symmetrisch zu diesem Punkt. 

Die Beschaltung zwischen dem FEY101 und dem FEJ271 diente der Optimierung der Signalübergabe (Pegel/Anstiegszeiten..) und wurde im Verlauf der Entwicklung noch mehrfach überarbeitet.

Polaritätsanzeige

Der Ausgang des Polaritätsdetektors im FEY101 (Pin 12) steuert über einen typischen Nixietreiber - Transistor  BSW69 die einfache Glimmlampe ZA1004

Nixie - Ansteuerung

Als externe Beschaltung für die Ansteuerung der NIXIE - Anzeigeröhren wurden nur noch ein BCD - Dezimal - Dekoder FJL101 = SN7441 und 4 Transistoren mit ausreichender U_CE0 für die Anoden - Auftastung benötigt. Im Schaltungsbeispiel wurden BC157 für die Anoden - Auftastung und ZM1325 als Nixie Röhren gewählt.

Die PHILIPS ZM1325 bot sich damals für den Bau eines Taschen - DVM wegen ihrer kleinen Abmessungen an: Höhe 37 mm, Ø = 13 mm, Ziffernhöhe 9,5 mm) - man blieb bei den eingesetzten Komponenten natürlich auch gern bei den Produkten der PHILIPS - Familie.

Ebenso gut konnten natürlich Burroughs Nixies B5750 (Höhe 38 mm, Ø = 12 mm, Ziffernhöhe 13 mm) oder die noch kleineren B5870 verwendet werden.

Stromversorgung

Da es sich bei den FEJ271 und FEY101 noch um so-genannte High-Level MOS ICs handelte, benötigte man für das DVM insgesamt 3 Betriebsspannungen:

• - 24 V für die MOS - FET Komponenten,
• - 6 V für die TTL - kompatiblen Datenausgänge des FEJ271 und den BCD-Dezimaldekoder SN7441
• + 130V für die Polaritätsanzeige ZA1004 und die 4 Nixies

Hier ein Schaltbeispiel eines einfachen Sperrwandler - Netzteils, das von 5 x 1,2 V AA - NiCd - Akkus (oder alternativ von 4 x 1,5 V AA Batterien) gespeist wird und die benötigten Spannungen liefert. Verwendet werden dazu ein BFY52, Dioden BAX13 und BAX17, ein kleiner P14/8  Schalenkern- Transformator (14 mm Ø, 8 mm Höhe) und wenige andere Komponenten:

Die Stromaufnahme des DVM lag dann bei ca:

FEY101: 24V ⇒10 mA, 6 V ⇒ 6,4 mA

FEJ271: 24V ⇒ 10 mA

FLJ101 = SN7441: 6V ⇒ 21 mA

ZA1004 + 4 x ZM1325: 130V ⇒ca. 5 mA

Gesamte Leistungsaufnahme ca. 1 W, dafür reicht der Schalenkern P14/ 8 aus.

Nur zum Vergleich: Ein klassisches 4-fach NAND-Gatter SN7400 verbrauchte bei Low am Ausgang typ. 12 mA , bei HIGH am Ausgang typ. 4 mA. Ein Dekadenzähler SN7490 hatte einen Speisestrom von typ. 32 mA

Angesichts der für den SN74xx gewohnten Anwender unglaublich niedrigen Verbrauchswerte der MOS - FET - Komponenten und des minimalen Platzbedarfs konnte man den Enthusiasmus der Entwickler durchaus nachvollziehen, aber es muss sich eben auch jemand finden, der die Geräte baut und zu konkurrenzfähigen Preisen vertreibt. An dieser Stelle fingen die Probleme an.

Für das oben beschriebene DVM wurden damals folgende Daten publiziert:

Eingangswiderstand: > 100 MΩ

Meßzyklus:                      0,1 ... 1 Sekunde (anhängig von der Eingangsspannung)

Einstellzeit:                  < 1 Sekunde

Meßbereich:                  ± 1999 mV

Genauigkeit:                  ± 0,5 % über den gesamten Meßbereich ±1 digit                  

Anzeige:                            4 Ziffern

Polaritätsanzeige:           automatisch

5     Die Marktsituation Anfang der 1970er Jahre 

Um die Marktchance des hier beschriebenen MOS-FET DVM im Taschenformat am Anfang der 1970er Jahre einschätzen zu können, muss man sich vergegenwärtigen, welche Gerätetypen standardmäßig in den Entwicklungslabors, im Elektronikservice, von Funkamateuren oder von Radio-/Elektronikbastlern verwendet wurden.

Im Außendienst wurden i.a. noch Analog - Multimeter aus deutscher Produktion (SIEMENS, METRAWATT, GOSSEN)  oder auch aus Fernost - Produktion eingesetzt, die die üblichen Genauigkeitsanforderungen erfüllten und zu "erträglichen Preisen" zu erwerben waren. Immerhin kostete so ein Gerät wie z.B. das CENTRAL CT-300 aus japanischer Produktion nur ca. 50 DM und hatte einen recht passablen DC - Eingangswiderstand von 30 KΩ/ V!

In den Entwicklungslabors und den Radio-/ Fernseh- Elektronik - Servicewerkstätten kamen natürlich i.a. anspruchsvollere Geräte des gehobenen Preissegments zum Einsatz.

Wurde hoher Eingangswiderstand erwartet, so setzte man immer noch die extrem zuverlässigen Röhrenvoltmeter wie z.B. das R&S URU / BN1080, das R&S URI /BN1050 oder das GRUNDIG RV3 / 6062  ein, wobei einige dieser Geräte durch Verwendung eines aktiven Tastkopfes HF - Spannungspegel bis hinauf ins UHF - TV - Band messen konnten.

Das ist natürlich keine vollständige Aufzählung, nur diese Geräte fielen mir intuitiv ein. Über die in der damaligen DDR eingesetzten Geräte kann ich hier keine Aussage machen.

Digitale Multimeter mit NIXIE - Anzeige kamen erst gegen Ende der sechziger Jahre auf dem Markt - also nach dem Erscheinen der ersten SN74xx ICs von Texas Instruments um 1967.

Im VALVO QL-IT-MOS verwendeten wir damals das gerade auf dem Markt erschienene PHILIPS Digital - Multimeter PM2421, das neben zahlreichen Messbereichen für präzise Messungen von Spannungen, Strömen und Widerständen, unter Verwendung des Tastkopfes PM9203 HF-Pegelmessungen bis 700 MHz ermöglichte.

All diesen Geräten war gemeinsam, dass sie nicht nur sehr schwer, sondern auch sehr teuer waren.

An dieser Stelle kommt also das von MULLARD 1970 geplante DVM ins Spiel. Mit einem Spannungsteiler und /oder Shuntwiderständen am Eingang konnte man daraus ja leicht ein digitales Multimeter produzieren.

Allerdings lagen die kalkulierten Produktionskosten so hoch, dass sich potentielle Anwender ungläubig  die Augen rieben. Allein der FEJ271, der FEY101 und der BFS21 kosteten 1973 im Ladenverkauf zusammen 111 DM - das entsprach etwa 10% meines damaligen monatlichen Nettoeinkommens. Dann fehlte noch die Spannungversorgung und die 4 NIXIE - Röhren.

Bis ich den kompletten Bausatz besaß, hatte ich ca. 150 - 200 DM ausgegeben.

Natürlich hätte ein industrieller Großabnehmer deutlichen Rabatt erhalten, aber offensichtlich brachte schon der finanzielle Aspekt die potentielle kommerzielle Zielgruppe der neuen MOS-FET ICs ins Grübeln.

Weitere Gründe für die zögerliche Reaktion der Industrie werden wohl auch diese gewesen sein:

• Die bekanntermaßen damals noch sehr empfindliche MOS - FET Technik in intimer Nachbarschaft mit der für die Versorgung der NIXIES notwendigen Hochspannung von 130 V schien förmlich nach Problemen zu rufen.
• Der damals nicht ganz klar umrissene Einsatzbereich dieser neuartigen Instrumente. Wo genau sollte sie dem Kunden Vorteile bieten? Wie oben schon erläutert wurde, verfügte man ja für den mobilen Einsatz über ein zuverlässiges Instrumentarium, mit dem das Servicepersonal vertraut war.

Zur großen Enttäuschung der Entwickler konnte man letzten Endes kein Unternehmen dazu überreden, ein tragbares DVM auf der Basis des Chip Satzes FEY101 / FEJ271 zu realisieren.

6     Erfahrung mit eigenem Aufbau

Nachdem ich im Sommer 1973 stolzer Besitzer des kompletten Bausatzes war, habe ich das DVM gemäß obigem Schaltungsvorschlag auf einer Lochrasterplatine aufgebaut und in Betrieb genommen..

Es funktionierte hervorragend, und sah auch noch hübsch aus. NIXIE - Anzeigen wirkten schon immer sehr attraktiv. 

Da ich in den Besitz einiger hochohmiger Präzisionswiderstände ( 0,1%) des Herstellers DALE (heute VISHAY - DALE) gelangt war, konnte ich mir einen Spannungsteiler 10 MΩ - 1 MΩ - 100 KΩ - 10 KΩ -1KΩ bauen. Durch das Teilerverhältnis 1 / 10 000 konnte ich nun Spannungen bis 20 KV messen. Durch den hohen Eingangswiderstand von ca. 11 MΩ wurden die 20 KV dann auch nur mit knapp 2 mA belastet.

So weit die guten Neuigkeiten. Ich hatte das DVM nicht so wie im obigen Schaltungsvorschlag dargestellt mit Akkus bzw. Batterien und einem Sperrwandler betrieben, sondern mit den folgenden Spannungsquellen: -6V aus 4 x AA - Batterien, -24 V aus zusätzlichen 2 x 9V Batterien und die +130 V aus einem kleinen zusätzlichen Netzteil.

An einem schwarzen Tag habe ich etwas an der Stromversorgung geändert und dabei irgendwelche Anschlüsse vertauscht. Kleine Sperrwandler - Netzteile haben den unschätzbaren Vorteil, dass sie bei  zu hoher Sekundärlast abschalten. Batterien treiben unbarmherzig weiter Strom durch den Verbraucher auch wenn es der falsche Verbraucher ist. 

Als Folge meiner Unaufmerksamkeit wurden nahezu alle aktiven Komponenten zerstört. Ich habe daraufhin keine weiteren Versuche in dieser Richtung unternommen.

Die MOS-FET ICs FEY101 und FEJ271 wurden noch kurze Zeit in den VALVO Taschenbüchern geführt, verschwanden aber bald aufgrund mangelnden Interesses von Seiten der Industrie vollständig aus der VALVO Dokumentation.

Harald Giese