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 darauffolgende 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.
Neben den zwei Pinreihen mit jeweils zwölf Kontakten ist das Bezugspotential über einen mittigen Pin mit dem Packages selbst verbunden.
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.
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.
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.
Die Widerstände wurden über diverse Einschnitte abgeglichen. Zur damaligen Zeit nutze man in den Keramischen Werken Hermsdorf dafür oftmals Elektronenstrahlen.
Siehe dazu: Automatisiertes Elektronenstrahl-Abgleichen von Dünnschichtwiderständen mit kontinuierlichem Durchlauf der Bauelemente durch die Bearbeitungskammer; M. von Ardenne, U. Heising, S. Panzer, O. Thieme, J. Hennerberger; IFAC Proceedings Volumes, Volume 2, Issue 3, Oktober 1965
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.
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 aufgebaut und nach der Fertigung getestet. Die Teile, die die 12Bit-Spezifikation nicht einhalten konnten, wurden dann als 10Bit-Variante verkauft.
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.
Bei genauerer Betrachtung zeigt sich, dass die linke der drei Stromsenken erhöht platziert ist.
Unter dem Die befindet sich ein zweites Stück Silizium. Man könnte vermuten,
dass das zusätzliche Element Leckströme reduzieren 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.
Bei genauerer Betrachtung zeigt sich allerdings, dass an dieser Stelle auf dem Keramikträger
zweimal gebondet wurde. Vom ersten Bondvorgang sind teilweise noch Reste
erkennbar. Man kann folglich davon ausgehen, dass das untere Stück Silizium ein
Stromsenken-IC vom gleichen Typ ist, der entweder beim Bondvorgang beschädigt
wurde oder von sich aus nicht die Spezifikationen einhielt. Um dennoch einen
funktionsfähigen DAC32 zu erhalten, wurde im Rahmen einer Nacharbeit dann ein
neuer Stromsenken-IC auf das fehlerhafte Teil aufgeklebt.
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 Temperaturdrift 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.
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.
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.
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.
Die zwei Operationsverstärker tragen die Zahlenfolge 741 und das Tesla-Logo. Es handelt sich um den MAA741.
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.
Bei der Z-Diode handelt es sich um eine von Thomson produzierte 1N829A, die eine Spannung von 6,2V generiert.
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.
