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KWH DAC 32

DAC32

Der DAC 32 ist ein von den KWH (Keramische Werke Hermsdorf) gefertigter Digital-Analog-Wandler. Der Hybridschaltkreis befindet sich in einem Metallgehäuse, wie es im RGW-Gebiet üblich war. Dieses Modell wurde 1984 gefertigt. Die CB-Variante liefert eine positive Ausgangsspannung. Die COB-Variante bietet einen bipolaren Ausgang. Die darauf folgende Zahl gibt an, ob es sich um die 10Bit- oder die 12Bit-Variante handelt.

Das Datenblatt gibt bei 25°C einen Linearitätsfehler von +/-1/2LSB, einen differentiellen Linearitätsfehler von +/-1/2LSB, einen Gain-Fehler von +/-15mV und einen Offset-Fehler von +/-15mV an. Die letzteren beiden Fehler müssen dazu aber über externe Potentiometer abgeglichen werden.
Der Temperaturdrift beträgt im spezifizierten Temperaturbereich von 0°C bis 70°C insgesamt +/-25ppm/°C. Der Offsetdrift beträgt +/-3ppm/°C und der Linearitätsdrift +/-1/4LSB.
Die eingestellte Analogspannung pendelt sich am Ausgang innerhalb von 25µs auf +/-0,01% der Vollaussteuerung ein. Die maximale Signalanstiegsgeschwindigkeit beträgt 0,5V/µs.

 

DAC32

Neben den zwei Pinreihen mit jeweils zwölf Kontakten ist das Bezugspotential über einen mittigen Pin mit dem Packages selbst verbunden.

 

DAC32 Schaltplan

Das Datenblatt enthält ein Blockschaltbild, das eine grobe Übersicht über die enthaltenen Funktionen liefert. Der obere Operationsverstärker regelt die Ströme, aus denen die Ausgangsspannung generiert wird. Der Operationsverstärker arbeitet mit der internen 10V-Referenzspannungsquelle, einem 10kΩ-Widerstand und einer -1mA-Stromquelle.
Basierend auf dem -1mA-Referenzstrom und den Signalen an der digitalen Schnittstelle generiert der linke Block einen Strom zwischen -2mA und 0mA.
Der untere Operationsverstärker wandelt des erzeugten Stromwert in die gewünschte Ausgangsspannung. Über die zwei 2,5kΩ- und einen der 10kΩ-Widerstände lässt sich der Ausgangsspannungsbereich einstellen.

 

DAC32 Aufbau

DAC32 Aufbau

Im Inneren des Packages bildet ein Keramikträger die Basis des Hybridbausteins. Die elektrischen Potentiale verlaufen dort mehrlagig. Die Masseanbindung erfolgt an vielen Punkten über eine Kontaktierung des Gehäuses zwischen den Anschlusspins.
Auf dem Keramikträger befinden sich mehrere Dies, mehrere Widerstandarrays und ein Kondensator. Sogar ein bedrahtetes Bauteil wurde im Package montiert.

 

DAC32 Glassubstrat

Die Widerstandarrays basieren auf einem klaren Substrat. Höchstwahrscheinlich handelt es sich um Glas. Darauf befindet sich eine dunkle aber leicht durchscheinende Schicht. Üblicherweise handelt es sich dabei um eine dünne Metallschicht, mit der sich Widerstandswerte sehr genau einstellen lassen.

 

DAC32 Glassubstrat Bearbeitung

Die Widerstände wurden über diverse Einschnitte abgeglichen.

 

 

 

 

DAC32 Widerstandarray oben

DAC32 Widerstandarray oben

Im oberen Widerstandarray befinden sich elf in Reihe geschaltete Widerstände (rot). An den Verbindungen sind insgesamt elf Widerstände angebunden, die zum Massepotential führen (blau und türkis). Abgesehen vom ganz rechten Widerstand (türkis) sind alle Widerstandswerte gleich groß und einzeln abgeglichen.
In der oberen linken Ecke befindet sich ein gelb markierter Widerstand. Die Zahl 3 in der Fläche lässt vermuten, dass es sich um den 3kΩ-Widerstand parallel zur variablen Stromquelle handelt.

 

DAC32 Analogwandler Prinzipschaltbild

Der Aufbau und die Verschaltung der Widerstände zeigt, dass es sich um einen R2R-Aufbau mit gleichen Stromwerten handelt. Im Gegensatz zum DAC80 kommen hier zwölf gleiche Stromsenken zum Einsatz. Die Stromsenken können entweder über das Massepotential neutralisiert oder in die Widerstandskette integriert werden. Je niederwertiger die Stromsenken sind, desto mehr Widerstandsteiler muss deren Strom durchlaufen, wodurch sich letztlich die gewünschte binäre Abstufung ergibt.

Dieser Aufbau vereinfacht im Vergleich zum Konzept des DAC80 den Aufbau der Stromquellen, dafür wird ein komplexeres Widerstandarray benötigt.

Hier und im folgenden zeigt sich, dass dieser DAC32 einen 12Bit-Digital-Analog-Wandler enthält, obwohl die Typbezeichnung eine 10Bit-Variante ausweist. Wahrscheinlich wurden alle DAC32 als 12Bit-Digital-Analog-Wandler augebaut und nach der Fertigung getestet. Die Teile, die die 12Bit-Spezifikation nicht einhalten konnten, wurden dann als 10Bit-Variante verkauft.

 

DAC32 Stromsenken

DAC32 Stromsenken Analyse

Unterhalb des oberen Widerstandarrays befinden sich die Stromsenken. Die Stromsenken setzen sich aus drei gleiche Dies und einem weiteren großen Widerstandarray zusammen.

Viele Verbindungen lassen sich auf Grund des mehrlagigen Aufbaus des Keramikträgers nicht nachverfolgen. Ganz rechts zeigt aber eine komplett sichtbare Leitung, dass sich die Eingänge der Stromsenken an den rechten Kanten der Dies befinden (rosa). Die Bondpads an der oberen Kante (grau) müssen dann die digitalen Eingänge darstellen. Allen Dies gemein ist das gelbe Potential. Man kann davon ausgehen, dass das gelbe Potential wie bei den ICL8018-Bausteinen des DAC80 den gewünschten Referenzstrom einregelt.

Das untere Widerstandarray enthält überraschenderweise nicht 12, sondern 15 Widerstände. Wie sich noch zeigen wird, tragen die blauen und die hellgrünen Widerstände direkt zu den 12 Strömen des Digital-Analog-Wandlers bei. Die dunkelgrünen Widerstände dienen wie beim ICL8018 des DAC80 zur Erzeugung des jeweiligen Referenzstroms.
Die hellgrünen Widerstände erzeugen jeweils einen der 12 Ströme des DACs, sind aber abgesehen vom letzten Widerstand erkennbar an zwei Dies angebunden.

 

 

 

 

DAC32 Stromsenken Die Attach

Bei genauerer Betrachtung zeigt sich, dass die linke der drei Stromsenken erhöht platziert ist.

 

DAC32 Stromsenken Die Attach

Unter dem Die befindet sich ein zweites Stück Silizium, das vermutlich Leckströme reduziert soll. Für diesen Baustein gelten die höchsten Anforderungen, da er die höchsten Beiträge zum eingestellten Stromwert liefern muss. Während die Ströme und damit auch die Fehler der anderen Dies umfangreich heruntergeteilt werden, addieren sich die Fehler der höchsten Strombeiträge relativ ungedämpft auf das Ausgangssignal.

DAC32 Stromsenken B724X

Die Zeitschrift Radio Fernsehen Elektronik erwähnt in der Ausgabe 8/1987 den DAC 32 und beschreibt, dass es sich bei den darin enthaltenen Stromsenken um den B724X handelt. Der B724X wurde demnach von den Keramischen Werken Hermsdorf (KWH) und dem Halbleiterwerk Frankfurt Oder (HFO) entwickelt. Die grundsätzliche Funktion ähnelt dem ICL8018 im DAC80. Während die Transistoren des ICL8018 aber auf möglichst gleiche und ideale Eigenschaften getrimmt sind, kompensieren im B724A zusätzliche Schaltungsteile die Schwächen der Transistoren.

Der Artikel enthält einen Schaltplan des B724X und beschreibt dessen spezielle Eigenschaften. Die Transistoren, die die Stromsenken realisieren, bestehen aus einer Art Darlington-Schaltung, in der der Treibertransistor doppelt ausgeführt ist (rot). Die Darlingtonverschaltung reduziert Schwankungen der Stromverstärkung.
Einen noch größeren Einfluss auf die Stromsenken hat der Temparaturdrift der Basis-Emitter-Spannung. Dieser Drift wird durch eine Art Differenzverstärker zwischen den Stromsenken kompensiert (blau). Die Differenzverstärker vergleichen die Potentiale an den Emittern der umgebenden Stromsenken und wirken auf die Potentiale an den Steuereingängen der Darlington-Transistoren ein.

 

DAC32 Stromsenken Die

DAC32 Stromsenken Die

DAC32 Stromsenken Die Analyse

Die B724X-Dies, die die Stromsenken darstellen, sind mit der Zeichenfolge 06K720 gekennzeichnet.

Von oben treffen die digitalen Werte ein (grau). Rechts stellen die rosa Bondpads die Eingänge der Stromsenken dar. An der Verbindung zwischen den grauen und den rosa Signalen werden die gewünschten Stromsenken aktiviert. Die darunter folgenden, U-förmig kontaktierten Transistoren stellen die jeweilige Stromregelung dar. Die türkisen Leitungen bilden die doppelte Basisanbindung ab. Von den Transistoren führen Leitungen zu den unteren Bondpads, wo das Widerstandarray angeschlossen ist.
Die linke Stromsenke (dunkelgrün) stellt den Referenzstrompfad dar und trägt erkennbar nicht direkt zu den 12 Stufen des Digital-Analog-Wandlers bei. Das gelbe Potential, das allen Dies gemein ist, regelt den Referenzstrom und damit auch die anderen Stromsenken. Das Potential wird über jeweils zwei Widerstände von unten zugeführt.
Die Transistoren zwischen den Bondpads und den Transistoren der Stromsenken bilden den Differenzverstärker ab. Es ist deutlich zu erkennen, wie die Stromsenken miteinander verkoppelt sind. Das erklärt auch warum das hellgrüne Potential an der rechten Kante mit dem hellgrünen Potential des folgenden Dies verbunden werden muss.

 

DAC32 Stromsenken Die Detail

DAC32 Stromsenken Die Detail

In der oberen linken Ecke des Dies befinden sich drei Testpads, die über zwei Fusible Links verbunden sind. Die eine Verbindung ist mit einer 1 gekennzeichnet, die andere mit einer 2. Auf dem linken, zusätzlich isolieren Die wurde der Fusible Link 1 durchtrennt. Mit ziemlicher Sicherheit wird über diese Fusible Links nach der Fertigung die Qualitätsstufe gekennzeichnet.

 

 

 

 

DAC32 Referenzstromerzeugung

DAC32 Referenzstromerzeugung Analyse

Links der Stromsenken befindet sich ein Operationsverstärker, der den Referenzstrom einstellt und ein weiterer Operationsverstärker, der die Ausgangsspannung generiert.

Ein drittes, kleineres Widerstandarray stellt die zwei 2,5kΩ-Widerstände, die zwei 10kΩ-Widerstände und einen weiteren Widerstand dar. Das rosa Element könnte den 3kΩ-Widerstand parallel zur Stromquelle darstellen. Wahrscheinlicher ist allerdings, dass sich dieser Widerstand im oberen Widerstandarray befindet.

 

DAC32 Opamp 741 Die

Die zwei Operationsverstärker tragen die Zahlenfolge 741 und das Tesla-Logo. Es handelt sich um den MAA741.

 

 

 

 

DAC32 Referenzspannungsquelle

Die 10V-Referenzspannungsquelle befindet sich auf einem eigenen Glasträger. Eine bedrahtete Z-Diode stellt die grundlegende Referenzspannung dar. Ein weiteres MAA741-Die generiert mit den Widerständen auf dem Glasträger die gewünschte 10V-Referenzspannung.

 

DAC32 Z-Diode

Bei der Z-Diode handelt es sich um eine von Thomson produzierte 1N829A, die eine Spannung von 6,2V generiert.

 

DAC32 Referenzspannungsquelle

DAC32 Referenzspannungsquelle Analyse

Unter der Z-Diode befindet sich der Widerstand Rz (grau), der den Strom durch die Z-Diode begrenzt. Versorgt wird die Z-Diode nicht über die positive Versorgungsspannung (rot), sondern über den 10V-Referenzspannungsausgang (grün). Der türkise Bereich bildet einen Spannungsteiler zwischen dem 10V-Ausgang und dem Massepotential. Die gelbe und die orange Zuleitung zum Operationsverstärker sind so gewählt, dass sie gleiche Widerstandswerte abbilden, wodurch sich Biasströme kompensieren. Der Ausgang des Operationsverstärkers regelt letztlich das 10V-Potential am Ausgang.

 

 

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