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Datel DAC-HZ12

DAC-HZ12

DAC-HZ12

Datel ist eine 1970 gegründete, amerikanische Firma, die unter anderem Digital-Analog-Wandler herstellt. Der hier zu sehende DAC-HZ12BGC wird immernoch produziert. Das Design scheint aber mittlerweile nicht nur optisch überarbeitet worden zu sein. Das aktuell Datenblatt beschreibt einen R2R-DAC, während in diesem Bauteil noch eine andere Technik zum Einsatz kam.

Das B hinter der Grundbezeichnung DAC-HZ12 steht für eine binäre Ansteuerung GC steht für den spezifizierten Betriebstemperaturbereich zwischen 0°C und 70°C. Laut dem aktuellen Datenblatt sollte es sich um eine Epoxidgehäuse handeln, was für das hier zu sehende Teil aber offensichtlich nicht gilt. Sowohl das Unterteil des Gehäuses als auch der Deckel scheinen aus einem Keramikmaterial zu bestehen.

Das Datenblatt gibt einen Nichtlinearität des Ausgang in Höhe von maximal +/-0,5LSB an. Die differentielle Nichtlinearität kann bis zu +/-0,75LSB betragen.
Der Verstärkungsfaktorfehler liegt bei +/-0,1%, der Offset bei +/-0,1% der Vollaussteuerung.
Der Temperaturdrift des Nullpunkts liegt bei +/-3ppm/°C der Vollaussteuerung.
Die Ausgangsspannung stellt sich innerhalb von 3µs mit einer Signalanstiegszeit von +/-10V/µs ein.

 

DAC-HZ12 Gehäuse

DAC-HZ12 Gehäuse Gewebe

Zur Verbindung von Gehäuse und Deckel wurde eine Art Kleber verwendet. Darin ist ein Gewebe enthalten. Mit einer nicht unbeträchtlichen Hitzezufuhr löst sich der Kleber und der Deckel kann abgenommen werden.

 

DAC-HZ12 Blockschaltbild

Das Datenblatt enthält ein Blockschaltbild, das stark an den DAC80 erinnert.
Die Referenzspannung, mit der der Digital-Analog-Converter arbeitet, muss von außen eingespeist werden. Ein 6,3kΩ-Widerstand ermöglicht es dabei einen Offset einzustellen. Den Ausgangsstrom des Digital-Analog-Converters wandelt ein Operationsverstärker in eine Spannung um. Dazu sind im Package zwei 5kΩ-Widerstände enthalten, über die auch der Ausgangsspannungsbereich eingestellt werden kann. Der DAC-HZ12 bietet wie der DAC80 eine 6,3V-Referenzspannungsquelle, die allerdings zusätzlich noch gepuffert wird.

Das Pinning ist absolut gleich zum DAC80 gehalten. Vermutlich soll der DAC-HZ12 unter anderem als Alternativbauteil dienen.

 

DAC-HZ12 Aufbau

DAC-HZ12 Aufbau

Im Gehäuse befindet sich ein großer weißer Keramikträger, der mehrere Halbleiter, Kondensatoren und Widerstandarrays beherbergt.
Auf dem Keramikträger ist das Datel-Logo abgebildet. Drei Fadekreuze erleichtern vermutlich das automatisierte Platzieren der einzelnen Bauteile

 

DAC-HZ12 Bondqualität

Auf dem Keramikträger scheinen manche Bondvorgänge beim ersten Versuch gescheitert zu sein. Ein Bonddraht ist knapp über dem Keramikträger abgerissen. Es könnte sein, dass dieses Bauteil nachgearbeitet werden musste und in dem Zug vielleicht sogar Dies ausgetauscht wurden. Zur damaligen Zeit war für diese hochpreisigen Komponenten eine Nacharbeit noch rentabel.

 

DAC-HZ12 Aufbau

Nicht nur das Blockschaltbild, auch der innere Aufbau des DAC-HZ12 ist dem DAC80 sehr ähnlich. Ohne ins Detail zu gehen zeigt sich bereits, dass auch hier drei integrierte Schaltkreise den 12Bit breiten Datenbus entgegennehmen und stark mit einem Widerstandarray vernetzt sind. Am Ausgang befindet sich ein Die, höchstwahrscheinlich ein Operationsverstärker. Links des mittigen Digital-Analog-Converters befindet sich ein weiteres Die, das eine Referenzstromregelung darstellen könnte. Links unten ist die Referenzspannungsquelle zu erkennen.

Wie beim DAC80 wurde auch hier eine sternförmige Masseverteilung gewählt. Auffällig anders ist die Zuleitung des Massepotentials zu den obersten vier Bits des Datenbus. Im Gegensatz zu den niederwertigeren Bits sind an den Pins vier Bestückplätze vorgehalten und die Datenleitungen von Masseleitungen umgeben. Der Zweck dieses Vorhalts erschließt sich nicht. Es könnte sich um eine Abschirmung gegenüber dem darüber liegenden analogen Schaltungsteil handeln, das erklärt aber noch nicht die Masseleitungen zwischen den Datenleitungen.

 

 

 

 

DAC-HZ12 ICL8018 Die

Es zeigt sich, dass der DAC-HZ12 wie der DAC80 auf drei der Intersil Vierfach-Stromschalter ICL8018 basiert (1x1, 1x2, 1x3). Die Funktionsweise des ICL8018 ist im Rahmen der DAC80-Analyse genauer beschrieben.

Die ICL8018 könnten der Grund gewesen sein, warum der Baustein mittlerweile auf einen R2R-DAC umgebaut wurde. ICL8018 werden schon länger nicht mehr produziert.

 

DAC-HZ12 Aufbau Detail

Von unten werden den ICL8018 die grauen Datenleitungen zugeführt. Die Versorgung stellen das -15V- und das +15V-Potential dar. Im DAC80 musste über den "NC-Pin" 13 eine zusätzliche Versorgung zugeführt werden.

Die drei ICL8018 arbeiten mit den Widerständen im darüber liegenden Widerstandarray 2. Der 1x3-Stromschalter speist seinen Ausgangsstrom direkt in den Summenknoten des Ausgangsverstärkers ein (gelb). Die Ausgangsströme der Stromschalter 1x2 und 1x1 duchlaufen zuerst noch das Widerstandarray.
Der 1x3-Stromschalter erhält zwei zusätzliche Potentiale, mit Hilfe derer der Referenzstrom eingestellt wird.

 

DAC-HZ12 Widerstandarray 2

Das Widerstandarray enthält extrem viele Widerstände.

 

DAC-HZ12 Widerstandarray 2 Detail

Die Widerstände und auch die Bondpads des Widerstandarrays sind nummeriert.

 

DAC-HZ12 Widerstandarray 2 Abgleich

Die einzelnen Widerstandelemente bestehen aus einem dickeren und einem dünneren Teil. Beide Bereiche wurden mit einem Laser abgeglichen. Im dickeren Bereich befindet sich ein Fenster, von dem aus die Widerstandfläche eingeschnitten wird. Der Schnitt im dünneren Bereich bewirkt eine große Widerstandänderung und ermöglicht so einen Grobabgleich, während über den Schnitt im dickeren Bereich ein Feinabgleich erfolgt.

 

DAC-HZ12 Widerstandarray 2 Detail

Alle Widerstände des Stromschalters 1x3 sind aus gleichen Elementen aufgebaut. Der Widerstand, über den der Referenzstrom erzeugt wird, besteht aus vier Elementen, die in Serie geschaltet sind (grün). Der Widerstand ganz rechts besteht ebenfalls aus vier Elementen in der selben Verschaltung, wodurch sich in diesem Zweig der gleiche Strom einstellt. Der links daneben liegende Widerstand besteht aus zwei seriell geschaltete Elemente, wodurch sich darin der halbe Referenzstrom einstellt. Es folgt der Pfad mit einem Viertel des Referenzstroms, der ein einzelnes Widerstandelement enthält. Der Zweig, der ein Achtel des Referenzstroms generiert, enthält zwei Widerstandelemente, die parallel geschaltet wurden.

 

DAC-HZ12 Widerstandarray 2 Detail

Der Stromschalter 1x1 trägt die kleinsten Stromwerte zum Gesamtstrom bei. Da sich dessen Toleranzen am wenigsten bemerkbar machen, sind die zugehörigen Widerstände nicht nur aus gleichen Elementen aufgebaut und etwas gedrängter positioniert.

 

DAC-HZ12 Widerstandarray 2 Detail

Im oberen Bereich des Widerstandarrays befinden sich zwei 1/16-Stromteiler. Der Stromwert des Stromschalters 1x1 wird dort um den Faktor 1/16 reduziert und zum Stromwert des Stromschalter 1x2 addiert. Die Zwischensumme wird noch einmal um einen Faktor 1/16 reduziert und in den Summenknoten des Ausgangsverstärker eingespeist.

 

 

 

 

DAC-HZ12 Ausgangsverstärker

Die Ausgangsspannung des DAC-HZ12 wird vom Operationsverstärker 9 generiert. Dazu greift der Operationsverstärker auf drei Widerstände des Widerstandarrays 2 zu. Die zwei 5kΩ-Widerstände, die für die Einstellung des Ausgangsspannungsbereichs genutzt werden können, überbrücken zwei Kondensatoren, was das Verhalten bei hohen Frequenzen verbessert.

 

DAC-HZ12 Ausgangsverstärker Opamp 9 Die

Der Operationsverstärker hat etwas unter der Hitze gelitten. Eine Hersteller- oder Typbezeichnung lässt sich nicht ausmachen. Es handelt sich auf jeden Fall um einen Operationsverstärker mit drei zusätzlichen Bondpads, die einen Abgleich des Offsets und eine Frequenzkompensation ermöglichen würden.

 

DAC-HZ12 Ausgangsverstärker Range Resistor

DAC-HZ12 Ausgangsverstärker Range Resistor

Im rechten Rand des Widerstandarrays 2 sind die beiden 5kΩ-Widerstände platziert. Auch diese Widerstände sind abgeglichen. Zusätzlich wurden im oberen Bereich zwei Trennstellen unterbrochen ("C" und "D"). Bleiben diese Trennstellen intakt, so reduzieren sie die Widerstände für die BCD-Variante auf 4kΩ.

 

 

 

 

DAC-HZ12 Aufbau Detail

Die Referenzspannungserzeugung im Stomschalter 1x3 steuern der Operationsverstärker 6, die Transistoren 7 und 8, Teile der beiden Widerstandarrays und zwei Kondensatoren.

 

DAC-HZ12 Opamp 6 Die

Für die Referenzstromregelung kam der gleiche Operationsverstärker zum Einsatz wie im Ausgangsverstärker.

 

DAC-HZ12 Widerstandarray 3

Das Widerstandarray 3 besteht aus drei Blöcken, die wiederum eine Reihenschaltung von mehreren Widerständen enthalten. Die Widerstände rechts des Datel-Logos gehören zur Referenzstromregelung.

Im rechten Bereich dient das Widerstandarray zusätzlich zur Übertragung des GND-Potentials von einer zur anderen Seite.

 

DAC-HZ12 Transistor 7 Die

DAC-HZ12 Transistor 8 Die

Der Aufbau der Transistoren erscheint etwas ungewöhnlich. Es handelt sich höchstwahrscheinlich um Bipolartransistoren mit mehreren Emittern (grün).

 

DAC-HZ12 Widerstandarray 2

Der Schaltungsteil der Referenzstromregelung nutzt einige Widerstände des Widerstandarrays 2.
Außerdem definiert die Referenzstromregelung das Bezugspotential der Widerstände der ICL8018-Stromschalter.

 

DAC-HZ12 Schaltplan Referenzstromerzeugung

Die Referenzstromregelung des DAC-HZ12 ähnelt der im DAC80. Hier agiert der Operationsverstärker allerdings als einfacher invertierender Verstärker im Hintergrund, der nur den Transistor Q1 aussteuert. Der Transistor Q1 definiert dann das Bezugspotential der Stromsenken und steuert über den Transistor Q2 die Transistoren der ICL8018.

Auf Grund der indirekteren Steuerung der Stromsenken benötigte der Regelkreis eine weitere Kompensation in Form des Kondensators C2. Mit dem Kondensator C1 wurde dagegen die Schaltgeschwindigkeit des Transistors Q1 erhöht.
Der Widerstand R5 sorgt für einen gewissen Stromfluss in Richtung des Transistors. Diese Stromrichtung wäre ansonsten komplett blockiert. Vermutlich wirkt sich diese Maßnahme positiv auf das Verhalten des Operationsverstärkers aus.

 

 

 

 

DAC-HZ12 Aufbau Detail

Die buried Z-Diode 4 generiert die grundlegende Referenzspannung, die der Operationsverstärker 5 mit einem Teil des Widerstandarrays 3 stabilisiert.

Der optischen Erscheinung nach fand am Operationsverstärkers 5 eine Nacharbeit statt. Die Kratzer auf der Oberfläche des Keramikträgers lassen vermuten, dass sich dort vorher ein anderes Die befunden hat, das ausgetauscht werden musste.

 

DAC-HZ12 Opamp 5

Auch der Operationsverstärker 5 trägt keine Hersteller- oder Typbezeichnung. Das selbe Die findet sich allerdings im Gould 4074. Es handelt sich um einen LM741.

 

DAC-HZ12 buried Z-Diode

DAC-HZ12 buried Z-Diode

Die buried Z-Diode besitzt die gleiche Erhöhung wie die buried Z-Diode im DAC80.

 

DAC-HZ12 Referenzspannung Schaltung

Die Referenzspannungserzeugung ist etwas komplexer als im Datenblatt dargestellt. Die Z-Diode versorgt sich direkt über den Referenzspannungsausgang. Der Widerstandteiler R2/R3 definiert die Ausgangsspannung. Interessanterweise wurden beide Widerstände abgeglichen. Für die Einstellung des Teilerfaktors wäre das nicht notwendig gewesen. So bleibt als Erklärung eigentlich nur noch ein Abgleich des Operationsverstärker-Arbeitspunktes. Der Operationsverstärker stellt in dieser Verschaltung eine Stromquelle dar, die den Arbeitspunkt und damit die Referenzspannung der Z-Diode einregelt. Der Widerstand R1 erweitert und stabilisiert dabei den Arbeitsbereich.

 

 

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