Der Burr-Brown DAC80 ist ein 12Bit-Digital-Analog-Wandler in einem recht speziellen Gehäuse. Auf der Rückseite zeigt sich, dass dieses Bauteil 1980 in den USA produziert wurde. Die DAC80 mit der Endung V besitzen einen integrierten Operationsverstärker und bieten damit einen Spannungsausgang. Die Modelle mit der Endung I bieten einen Stromausgang. Für die V-Variante gibt das Datenblatt eine typische Signalanstiegszeit von 20V/µs an, mit der sich der Ausgang innerhalb von typischerweise 5µs auf +/-0,01% der Vollaussteuerung einschwingt (10V). Der Temperaturdrift der integrierten Z-Diode bewegt sich zwischen typisch +/-10ppm/°C und maximal +/-20ppm/°C.
Das Blockschaltbild im Datenblatt zeigt die Funktionsblöcke des DAC80, darunter ein Widerstandsnetzwerk mit speziellen Stromschaltern, eine Z-Diode, ein Block zur Einstellung der Verstärkung, ein Operationsverstärker und einige Widerstände mit denen der Ausgangsspannungsbereich eingestellt werden kann.
Unter dem Keramikdeckel zeigt sich, dass der vorliegende DAC80 aus mehreren einzelnen Dies aufgebaut wurde. Diese Aufbautechnik hat den Vorteil, dass bereits vorhandene integrierte Schaltungen genutzt werden können und nicht ein Herstellungsprozess die speziellen Anforderungen aller einzelnen Schaltungsblöcke erfüllen muss. Burr-Brown produzierte später eine zweite Generation des DAC80, die im entsprechend aktualisierten Datenblatt als monolothisch aufgebaut bezeichnet wird.
Die Pins an der einen Seite des DAC80 stellen die 12Bit breite, digitale Schnittstelle dar. Auf der anderen Seite befinden sich die Stromversorgungen und die analogen Potentiale. Das Massepotential wird großflächig sternförmig ins Innere geführt. Der Pin Vdd stellt eine eigene Versorgung für die digitale Schnittstelle dar. In der neueren Generation des DAC80 wird diese spezielle Versorgung nicht mehr benötigt.
Die drei Schaltungsblöcke 1x1, 1x2 und 1x3 basieren alle auf dem gleichen Die. Bei 1x3 wurden allerdings am linken Rand zwei Bondpads mehr kontaktiert.
Die Beschriftung der Dies 1x1, 1x2 und 1x3 verrät, dass es sich um den ICL8018 von Intersil handelt. Der ICL8018 ist ein spezieller Vierfach-Stromschalter, der für Digital-Analog-Konverter mit einer Auflösung von bis zu 12Bit optimiert ist. Die Basis-Emitter-Spannungen der enthaltenen Stromschalter sind dazu auf 0,01% genau spezifiziert. Parallel wurden von Intersil auch die weniger gut ausbalancierten ICL8019 (0,1%) und ICL8020 (1%) vertrieben.
Das Datenblatt enthält mehrere Beispielschaltungen, die die Funktion des ICL8018 erklären. Die Transistoren Q7, Q8, Q9 und Q10 stellen die Kernkomponenten des Bausteins dar. Mit der richtigen Ansteuerung und passend gewählten Widerständen an den Emittern stellen diese Transistoren einen auf das binäre Zählsystem abgestimmten Stromwert am Ausgang 8 ein (1/8, 1/4, 1/2, 1). Damit sich die Transistoren trotz unterschiedlicher Ströme möglichst gleich verhalten sind sie unterschiedlich groß aufgebaut. Das führt dazu, dass die Stromdichten gleich bleiben.
Die Aussteuerung der vier Transistoren erfolgt über eine externe Beschaltung,
meist in Kombination mit dem Transistor Q6. In einer der einfachsten Umsetzungen
wird die interne Stromquelle verwendet und der Basisstrom aller Stromschalter
über eine externe Stromsenke eingestellt.
Die
oben dargestellte Schaltung verhält sich stabiler. Dort sorgt ein
Operationsverstärker (ICL8008) dafür, dass aus einer Referenzspannung über den
oberen Rs-Widerstand immer der gleiche Strom fließt. Dieser Stromfluss ist
sichergestellt, da der Operationsverstärker die Spannung an seinen Eingängen
auf 0V einregelt. Nachdem über den unteren Rs-Widerstand im normalen
Betrieb kein Strom fließt und damit auch keine Spannung abfällt, muss durch den
oberen Rs-Widerstand der Strom Vref/Rs fließen. Der Ausgang des
Operationsverstärkers stellt den Strom durch die Basis des Transistors Q6
entsprechend ein. Dabei werden parallel auch die anderen Transistoren
entsprechend ausgesteuert. Der Vorteil der Schaltung ist, dass der Stromfluss nicht von
der temperaturabhängigen Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q6 abhängt. Das
Datenblatt gibt an, dass so ein Temperaturdrift von gerade einmal 2ppm/°C
möglich ist.
Der untere Rs-Widerstand kompensiert die minimalen Eingangsströme des
Operationsverstärkers. Diese Biasströme sind temperaturabhängig aber üblicherweise gleich groß. Befinden
sich an beiden Eingängen die gleichen Widerstandswerte, so stellen sich an den
Eingängen trotz dieser Biasströme die gleichen Potentiale ein. Die Diode 1N914
sorgt dafür, dass bei einem Fehlen des negativen Versorgungspotentials die
Transistoren nicht in Sättigung gehen und es zu Latch-Up-Effekten kommt.
Das Aktivieren der gewünschten Stromschalter-Transistoren erfolgt über die darüber angeordneten Schaltungsteile. Liegt an einem Eingang ein Low-Pegel an, so überträgt sich dieser über die zugehörige Diode und sperrt den Steuertransistor, der damit den darunter liegenden Stromschalter-Transistor freigibt. Liegt am Eingang ein High-Pegel an oder ist der Eingang offen, so leitet der Steuertransistor und es fließt ein Strom zum Emitter des Stromschalter-Transistors. Das Emitterpotential heb sich an und der Stromschalter-Transistor sperrt. Die Z-Diode sorgt dafür, dass das Potential am Emitter nicht so stark ansteigt, dass die Basis-Emitter-Strecke beschädigt wird.
Der Aufbau des ICL8018 lässt sich gut auf das Die übertragen. Deutlich zu erkennen sind die Größenverhältnisse der Transistoren Q7, Q8, Q9, Q10 (1:2:4:8).
Das Datenblatt des ICL8018 zeigt auch wie man höhere Auflösungen erreicht. Bis zu drei ICL8018 können mit dem selben Referenzstrom und den gleichen Widerstandarrays arbeiten. Nur für den Referenzstrom ist ein zusätzlicher Widerstand notwendig (der in diesem Blockschaltbild fälschlicherweise fehlt). Die Ausgangsströme des zweiten und des dritten ICL8018 werden dann noch so herunter geteilt, dass sie den zugeordneten, niederwertigeren Bits entsprechen. Da mit der Teilung auch der Fehler reduziert wird, kann an zweiter Stelle der weniger genau spezifizierte ICL8019 und an dritter Stelle sogar der ICL8020 eingesetzt werden.
Das Widerstandarray 2 enthält die zwölf Widerstände für die zwölf Stromsenken
und einen Widerstand für die Referenzstromerzeugung. Dem Logo nach zu
urteilen hat Burr-Brown das Widerstandarray selbst hergestellt. Die einzelnen Widerstände wurden mit einem
Laser abgeglichen. Teilweise erfolgte die Justage über das Durchtrennen von
parallelen Widerständen, teilweise wurden größere Widerstandsflächen
angeschnitten.
Das
Bezugspotential trifft von unten ein, verläuft schräg über das Die und
kontaktiert alle Widerstände.
Die Referenzstromerzeugung erfolgt ähnlich wie im obigen Schaltplan des
Datenblatts dargestellt. Hier regelt der Operationsverstärker im Block 4
allerdings nicht direkt den
Basisstrom der Stromschalter (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5), sondern das Bezugspotential
des Widerstandarrays 2 (R3, R4, R5, R6, R7). Den Basisstrom regelt der Transistor Q6, den
wiederum der Operationsverstärker über einen Spannungsteiler steuert.
Versorgt wird die Referenzstromerzeugung aus dem Referenzpotential.
Die spezielle Schaltung hat den großen Vorteil, dass sie nicht direkt von der
Qualität der negativen Versorgungsspannung abhängig ist. Alle relevanten
Potentiale beziehen sich entweder auf das Potential der Referenzspannung oder das
Massepotential. Der Operationsverstärker und der Transistor Q6 entkoppeln den
neuralgischen Schaltungsteil vom negativen Versorgungspotential.
Der Operationsverstärker stammt von PMI. Das entsprechende Logo in der linken oberen Ecke wurde beim Öffnen des Gehäuses leicht beschädigt. Das Design stammt aus dem Jahr 1977. Die Zeichenfolgen 6A1 und 1401T geben keinen direkten Hinweis auf den eingesetzten Typ.
Im PMI-Produktkatalog "1982 Linear Integrated Circuits" findet sich die Abbildung eines Dies, das sehr gut zum vorliegenden Design passt. Es handelt sich dabei um die Standard-Operationsverstärker OP02/OP19. Der OP19 bietet im Vergleich zum OP02 eine etwas höhere maximale Signalanstiegszeit. Da in der Referenzstromerzeugung keine schnellen Signaländerungen auftreten, wird es sich höchstwahrscheinlich um einen OP02 handeln.
Das Datenblatt enthält einen relativ ausführlichen Schaltplan. Wichtig für den Digital-Analog-Wandler dürfte vor allem die thermische Stabilität des Operationsverstärkers sein. Um Temperaturdrifts zu reduzieren wurde am Eingang ein sogenanntes "thermally cross-coupled quad" integriert. Entstehen auf dem Die Temperaturgradienten, so sorgen die über Kreuz platzierten Transistoren dafür, dass im nicht invertierenden und im invertierenden Zweig des Operationsverstärkers relativ gleiche Drifteffekte auftreten und diese sich so wieder kompensieren.
Die Funktionen der einzelnen Bondpads lassen sich relativ einfach auf das Die übertragen. Ebenso sind einige Funktionsblöcke sofort erkennbar. Darunter die große Push-Pull-Endstufe an der oberen Kante des Dies, der große Rückkopplungskondensator und der großteils differentielle Aufbau.
Der Block 5 enthält einen Transistor. Ganz oben ist der grünliche Emitter zu erkennen. Der Emitter befindet sich auf einer dazu invers dortierten lila Fläche, die die Basis des Transistors darstellt. Den Kollektor bildet die darunter liegende, grüne Schicht aus, die an zwei Ecken der Rahmenstruktur zu erkennen ist. Die Kontaktierung des Kollektors erfolgt von unten. Auf zwei Ecken des Rahmens sind aber, der silbernen Farbe nach zu urteilen, Bondflächen vorgehalten, um den Kollektor auch von oben kontaktieren zu können.
Obwohl der Transistor leitfähig mit der darunter liegenden Leitung verbunden werden konnte, wählte man beim SMD-Kondensator dennoch Bonddrähte zur Kontaktierung.
Der Stromausgang des mit 1x3 bezeichneten ICL8018 ist direkt mit der sogennanten
Summing Junction (hellgrün) verbunden. Diese Summing Junction führt den Stromwert, der
sich aus dem 12Bit Digitalwert ergibt. Die Stromausgänge der zwei ICL8018 1x1
und 1x2 müssen wie weiter oben beschrieben erst noch heruntergeteilt werden und
sind daher über die zwei dunkelgrünen Leiterbahnen mit dem Widerstandarray 3
verbunden.
Das Widerstandarray 3 ist über vier Bonddrähte mit zwei
Zuleitungen an den Massesternpunkt angebunden. Eine niederohmige Masseanbindung
ist an dieser Stelle wichtig, da darüber wechselnde Ströme abfließen
und sich Potentialschwankungen direkt auf das Ausgangssignal auswirken.
Auf dem Widerstandarray 3 befinden sich zwei Funktionsblöcke. Im linken Drittel führt ein Widerstand das Referenzpotential und das Offset-Potential zusammen, bevor es zur Referenzstromerzeugung weitergeleitet wird.
Im rechten Bereich erfolgt das Herunterteilen der zwei Referenzströme, die
die unteren 8Bit des Analog-Digital-Wandlers darstellen. Die Ströme der ICL8018 1x1 und 1x2 werden zu einem Großteil über vier niederohmige
Widerstände und vier Bonddrähte zum Massepotential abgeleitet. Vom
ICL8018 1x1 führt ein Widerstand, der mit den Widerständen nach Masse
einen Teilerfaktor von 1/16 darstellt, zum Potential des Funktionsblocks 1x2.
Von dort führt ein weiterer 1/16-Widerstand zur Summing Junction. Für den
Funktionsblock 1x1 ergibt sich so ein Teilerfaktor von 1/256 und der
resultierende Stromwert entspricht den untersten 4Bit der digitalen
Schnittstelle.
Über die beiden Range-Anschlüsse kann die Summing Junction so
beeinflusst werden, dass sich der gewünschte Wertebereich ergibt.
Wie beim Widerstandarray 2 erfolgte auch hier ein Laserabgleich der Widerstände.
Der Block 7 erzeugt aus dem generierten Stromwert eine Spannung, die das Ausgangssignal darstellt. Die Funktion des Blocks 8 am Ausgang erschließt sich nicht ohne Weiteres.
Der Block 7 enthält einen Operationsverstärker, der dem OP02 im Block 4 sehr ähnlich ist. Der grundsätzlich Aufbau ist gleich, die Metalllage unterscheidet sich aber.
Auch hier liefert der Produktkatalog "1982 Linear Integrated Circuits" ein übereinstimmendes Die-Abbild. Es handelt sich demnach um den OP01. Dieser Operationsverstärker ist mit einer Anstiegszeit von 18V/µs relativ schnell. Das Ausgangssignal stellt sich innerhalb von 1µs auf 0,1% genau ein.
Die Schaltungen des OP02 und des OP01 ähneln sich sehr stark. Es ändert sich nur die Anzahl
und die Verschaltung der Kondensatoren, was letztlich zur höheren Bandbreite
des OP01 führt.
Beim OP-01 fehlt die negative Rückkopplung von den
Endstufentreibertransistoren zum invertierenden Ausgang des
Differenzverstärker-Frontends. Der Kondensator C1 befindet sich beim OP01
zwischen dem invertierenden Eingang und dem invertierenden Ausgang des
Differenzverstärker-Frontends. So verbaut wirkt der Kondensator als Vorsteuerung
und erhöht damit die Bandbreite. Der Kondensator C2 bildet eine negative
Rückkopplung, die hier allerdings direkt an den invertierenden Eingang
angebunden ist.
Der spezielle Aufbau des OP01 führt dazu, dass sich die Eingänge unsymmetrisch verhalten, was für den Anwendungsfall im Digital-Analog-Wandler aber nicht relevant ist.
Die Umsetzung der zwei Operationsverstärkervarianten über eine kleine Änderung der Metalllage ist sehr geschickt. An der linken Kante des Dies befinden sich zwei Kondensatoren. Im OP02 ist der linke Kondensator kurzgeschlossen und damit inaktiv. Die Kapazität wirkt dort zwischen einem Endstufentreiber (rosa) und dem invertierenden Ausgang des Operationsverstärker-Frontends (gelb). Im OP01 ist der Kurzschluss nicht mehr vorhanden und es bilden sich zwei Kondensatoren aus. Eine Elektrode ist den zwei Kondensatoren gemein und wird beim OP01 mit dem invertierenden Eingang verbunden. Die anderen beiden Elektroden führen als Vorsteuerung zur Endstufentreiberstufe und als Gegenkopplung zum invertierenden Ausgang des Operationsverstärker-Frontends.
Eine leicht angpasste Anbindung des blauen Potentials führt außerdem zu einem reduzierten Widerstand R6. Dieser Widerstand ist sehr lang ausgeführt, überbrückt wird aber nur ein sehr kleiner Teil. Dieser kleine Teil weist allerdings einen hohen Widerstand auf, da das Material von einem invers dotierten Material überlagert ist. Die verschiedenen Widerstandstypen sind hier zu sehen. Der reduzierte Widerstand R6 erhöht die Arbeitsströme, was die Grenzfrequenz weiter erhöht.
Der Block 8 zeigt keine spezielle Struktur. Da sich das Element zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers befindet, scheint es unwahrscheinlich, dass es den Ausgang schützt. Mit dem Hintergrund, dass der eingesetzte Operationsverstärker ein sehr schneller Typ ist, könnte es sich um eine kleine Kapazität handeln, die Schwingungen unterdrücken soll. Eine Vermessung der Eigenschaften bestätigt die Vermutung. Eine Fluss- oder Sperrspannung lässt sich nicht bestimmen. Die Kapazitätsmessung liefert einen Wert im mittleren zweistelligen pF-Bereich.
Die Z-Diode ist auf einer Seite mit dem Massepotential verbunden. Die Versorgung bildet nicht, wie im Datenblatt dargestellt, eine Stromquelle sondern ein einfacher Widerstand zur +Vcc-Versorgung. Das führt dazu, dass sich Schwankungen der Versorgungsspannung relativ stark auf den Strom und damit auf die Referenzspannung auswirken. Vorteilhaft ist hier, dass das Potential +Vcc nur analoge Schaltungsteile versorgt und man so zumindest keine Rückkopplung aus den digitalen Blöcken befürchten muss.
Das Referenzpotential ist bis zu den Anschlusspins hin mit dem +Vcc-Potential gegen das Gain-Potential abgeschirmt. Die Notwendigkeit dieser Schirmung ist fraglich. Kapazitive Einkopplungen sind an dieser Stelle nicht zu befürchten und als Guard-Potential gegen Leckströme eignet sich +Vcc nicht.
Die neueren Datenblätter bewerben eine integrierte buried Z-Diode. Im Datenblatt der ersten Generation wird dagegen nur eine "reference voltage supply" beschrieben. Der optischen Erscheinung nach handelt es sich eher um eine einfache Diode, eine spezielle Struktur ist nicht zu erkennen.
Eine sehr ähnliche Z-Diode findet sich in der Referenzspannungsquelle VRE305A der Thaler Corporation.
In der unteren linken Ecke scheint die Struktur nicht ganz sauber gefertigt worden zu sein.
Das Die besitzt eine MESA-Struktur. Den oberen Bildern nach zu urteilen befindet sich dort keine pn-Grenzfläche, weswegen ein sauberer Abschluss dieser Grenzfläche nicht der Grund für die MESA-Struktur gewesen sein dürfte. Der Nutzen der Struktur bleibt offen.