Der DAC800 ist ein von Burr-Brown entwickelter 12Bit-Digital-Analog-Wandler. Die Endung V steht für die Variante mit Spannungsausgang. Die Variante mit Stromausgang trägt die Endung I. Die Produktion erfolgte dem Datecode nach im Jahr 1983.
Der DAC800 stellt eine Weiterentwicklung des
DAC80 dar. Im Datenblatt von 1987 wird der DAC800 als
"third-generation monolithic Integrated Circuit" beschrieben. Wie sich gleich
noch zeigen wird, ist der Begriff "monolithic" zumindest für dieses Modell nicht
ganz korrekt. Das "Burr-Brown
Product Data Book" von 1982 gibt für den DAC800 einen Stückpreis von 29,95$ an,
während für den DAC80 36,50$ veranschlagt werden. Der höhere Integrationsgrad
brachte eine merkliche Kostenreduktion mit sich.
Die Tabelle, die die Preise enthält, führt auch Kernspezifikationen der verfügbaren
Digital-Analog-Wandler auf. Dort scheinen der DAC80 und der DAC800 absolut
gleichwertig. Vergleicht man allerdings die Datenblätter, so zeigt sich, dass
der DAC800 doch etwas besser spezifiziert werden konnte. Das DAC800-Datenblatt bewirbt
explizit die
kürzere Einschwingzeit, die mit typischerweise 2,5µs halbiert wurde. Für das
Modell mit Sromausgang haben sich die Zeiten nicht geändert. Außerdem
wäre die Zuverlässigkeit auf Grund der stärkeren Integration höher. Vergleicht
man die Datenblätter weiter, so finden sich noch andere Unterschiede. Der Einfluss der
Versorgungsspannungen auf das Ausgangssignal konnte um einen Faktor 10 reduziert
werden. Der typische Temperaturdrift der internen Referenz hat sich zwar vom
DAC80 zum DAC800 nicht geändert, der Worst-Case Temperaturdrift hat sich aber
von +/-20ppm/°C auf +/-30ppm/°C verschlechtert.
Das Blockschaltbild im Datenblatt zeigt einen klassischen Aufbau, der dem DAC80 sehr ähnlich ist. Die Referenzspannung generiert laut Datenblatt eine integrierte buried Z-Diode. Die Digital-Analog-Wandlung erfolgt in einem Widerstandsnetzwerk. Ein Operationsverstärker erzeugt die Ausgangsspannung, deren Offset und Ausgangsspannungsbereich sich über die Verschaltung integrierter Widerstände einstellen lässt.
Der DAC800 mit Spannungsausgang beinhaltet zwei Dies, den eigentlichen Digital-Analog-Wandler und den Ausgangs-Operationsverstärker. Jedes Die befindet sich auf einer eigenen Metallfläche. Es handelt sich beide Male um das negative Versorgungspotential, das nur zur Entkopplung der Schaltkreise getrennt zum zugehörigen Pin geführt wird.
Während die Verbindungen nach außen mit Golddrähten und dem damit üblichen Ball-Wedge-Bondverfahren erfolgte, befinden sich zwischen den Dies Aluminiumdrähte und es kam das dafür üblichere Wedge-Wedge-Bonden zum Einsatz.
Die seitliche Kante im Die des Operationsverstärkers ergab sich vermutlich während der Vereinzelung. Oftmals erfolgt dies zweistufig, was schonender für den aktiven Bereich auf der Oberfläche ist.
Das Die des Digital-Analog-Wandlers scheint dagegen tatsächlich auf einem zweiten Die platziert zu sein. Eine solche Konstruktion könnte störende Leckströme durch das Substrat reduzieren. Das zweiteilige Design reduziert aber auch mechanische Spannungen, die sich durch unterschiedliche Temperaturkoeffizienten von Gehäuse und Silizium ergeben.
Der Operationsverstärker ist ein OP01 wie er auch im DAC80 eingesetzt wurde. Es handelt sich allerdings um die neuere Revision 1401S von 1980. Wie bei der REF01-Referenzspannungsquelle schön zu sehen war, kennzeichnet PMI neuere Revisionen, indem der Buchstabe am Ende der Typbezeichnung von Z nach A heruntergezählt wird. Ein funktionaler Unterschied ist nicht erkennbar. Es könnte sein, dass die Revision nur auf Grund von Änderungen in der Fertigung angepasst wurde.
Die kreuzweise Verschaltung der Bauteile in der Eingangsverstärkerstufe sorgt für einen niedrigen Temperaturdrift (siehe OP01).
Das Die des Digital-Analog-Wandlers ist 2,74mm x 2,34mm groß. Die mit einem Laser abgeglichenen Widerstände nehmen einen Großteil der Fläche ein.
An der oberen Kante sind die Zeichen CIC00851 abgebildet, eine Burr-Brown typische interne Projektbezeichnung. An der rechten Kante sind die Revisionen von zehn Masken zu erkennen. Die Metalllage trägt einen Index L, was auf eine recht enorme Anzahl von elf Änderungen hinweist.
Auf dem Die befinden sich drei in keinen Schaltungsteil eingebundene, quadratische Widerstandflächen. Auf einem der Quadrate hat der Abgleichprozess zwei Punkte hinterlassen. Entweder wurde über diese Quadrate die Fertigungsqualität dokumentiert oder die Markierung bietet eine Rückverfolgbarkeit des Abgleichprozesses.
Beim DAC80 nutzen die Widerstände der Stromsenken ein aus dem Referenzpotential generiertes Bezugspotential. Beim DAC800 dient dagegen das negative Versorgungspotential als Bezugspotential. Das vereinfacht die Konstruktion, erhöht allerdings die Empfindlichkeit gegenüber Versorgungsspannungsstörungen. Vielleicht beinhaltet das Die eine zusätzliche, nicht offensichtliche Kompensation solcher Schwankungen.
Im DAC80, im AD565, im
DAC709 und in vielen anderen Digital-Analog-Wandlern wird aus der
Referenzspannung ein Referenzstrom erzeugt. Dabei kommt eine Stromsenke zum
Einsatz die der MSB-Stromsenke sehr ähnlich ist. Das sorgt dafür, dass sich
Drifts weniger stark auswirken. Wie innerhalb des DAC80 beschrieben, wird der
Referenzstrom unabhängig von Drifts der beteiligten Transistoren auf einen
konstanten Wert geregelt.
Im DAC800 sind lediglich für die zwölf Stromsenken
große Widerstandflächen integriert. Neben dem Widerstand des Bit 1 (MSB)
befindet sich statt eines Referenzstromzweig eine Endstufe. Diese Endstufe
kontrolliert das Basispotential aller Stromsenken-Transistoren.
Anscheinend hat Burr-Brown eine alternative, ausreichend genaue Steuerung der
Stromsenken entwickelt.
Die Ströme der ersten drei Bits werden direkt in den Summenknoten eingespeist.
Sie müssen entsprechend unterschiedliche Ströme darstellen. Passend dazu besitzt
das Bit 1 zwei parallel geschaltete Widerstände, während das Bit 2 nur einen
Widerstand nutzt und dem Bit3 zwei seriell geschaltete
Widerstandelemente zugeordnet wurden. Die über den Widerständen platzierten
Transistoren sind unterschiedlich groß, so dass sich gleiche Stromdichten und
damit ein möglichst gleiches Verhalten einstellt.
Die Ströme der Bits 1 und 2
durchlaufen Umschaltblöcke, die den Strom entweder zum Summenknoten leiten oder
zum Massepotential hin neutralisieren. Das Bit 3 besitzt zwar auf der Höhe der
Umschalter ebenfalls einen Transistor, dieser realisiert aber keine Ab- oder
Umschaltung. Das Deaktivieren des Bit 3 erfolgt über die
Eingangsbeschaltung am digitalen Eingang. Das Steuersignal führt direkt zum
Kollektor des Stromsenkentransistors. Anscheinend legt die Eingangsbeschaltung
ein ausreichend hohes Potential an die Stromsenke an, so dass sie den kompletten
Stromfluss übernimmt. Der rote Transistor neben den Umschalttransistoren sorgt
dafür, dass sich das Steuerpotential selbst nicht auf den Ausgangsstrom
auswirkt. Die Ströme der Bits 1 und 2 sind entweder zu hoch, um sie direkt über
die Eingangsbeschaltung zu neutralisieren oder die vereinfachte Steuerung würde
den Stromwert zu stark beeinflussen. Die Anforderungen an die Genauigkeit
der hohen Stromwerte sind schließlich am höchsten.
Die Ströme der Bits 4 bis 10 werden über gleich aufgebaute Stromsenken erzeugt. Um die notwendigen Abstufungen erreichen zu können, durchlaufen sie einen R2R-Widerstandsteiler, bevor sie in den Summenknoten eingeleitet werden.
Die Ströme der Bits 11 und 12 werden mit nur einem Widerstand erzeugt, der die gleiche Form besitzt wie die Widerstände der Bits 4 bis 10. Oberhalb des Widerstands ist zu erkennen, dass er drei Stromsenken als Arbeitswiderstand dient. Der schwarze Transistor ist doppelt so groß ausgeführt wie der weiße und der nicht markierte Transistor. Das führt dazu, dass der schwarze Widerstand die Hälfte des Stroms des Bit 10 führt, was genau der richtige Stromwert für das Bit 11 ist. Entsprechend kann der erzeugte Strom direkt zum Strom des Bit 10 addiert werden. Der Summenstrom fließt dann zum R2R-Widerstandsteiler. Der Transistor des Bit 12 führt nur noch ein Viertel des Stroms des Bit 10 und kann so ebenfalls sofort zu den Strömen der Bits 10 und 11 addiert werden. Der nicht markierte Transistor wird benötigt, damit sich die gewünschte Stromverhältnisse einstellt.
In der oberen rechten Ecke befinden sich die abgeglichenen Widerstände, die es ermöglichen den Bereich der Ausgangsspannung festzulegen.
Im linken Drittel des Dies befinden sich die buried Zenerdiode und ihrer Umgebungsbeschaltung, die zusammen eine stabile Referenzspannung erzeugen. Wie weiter oben beschrieben, ist der Worst-Case-Temperaturdrift der DAC800-Referenzspannung etwas schlechter als der Worst-Case-Temperaturdrift der DAC80-Referenzspannung. Das muss nicht heißen, dass die integrierte buried Zenerdiode stärker driftet. Im DAC80 wird das Potential der Zenerdiode direkt nach außen geführt, im DAC800 erfolgt dagegen noch eine Aufbereitung des Referenzpotentials, was zusätzliche Drifteffekte mit sich bringen kann.
Im unteren Teil des Referenzspannungsblocks wurden zwei Widerstände abgeglichen. Ein dort integriertes Testpad vereinfachte wahrscheinlich den Abgleich. Es ist gut möglich, dass sowohl die Höhe der Referenzspannung als auch der Temperaturdrift abgeglichen wurde. Im oberen Bereich befindet sich ein Operationsverstärker, der als Puffer für die Referenzspannung dient.
Die buried Zenerdiode besitzt nur zwei Abgriffe und ist damit etwas einfacher aufgebaut als die buried Zenerdiode im DAC709.
In den unteren Ecken wurden zwei zusätzliche buried Zenerdioden integriert, die allerdings lediglich an Testpads angebunden sind. Innerhalb der digitalen Schnittstelle sind definitiv keine buried Zenerdioden notwendig. Um die spezielle Struktur der buried Zenerdiode unbeeinflusst vermessen zu können, wären keine zwei zusätzlichen Zenerdioden notwendig gewesen. Die Fertigungsqualität dieser speziellen Struktur über mehrere Bereiche des Dies zu prüfen, erscheint ebenfalls wenig sinnvoll. Somit bleibt offen, warum diese zwei Dioden integriert wurden.
Der DAC800 war neben dem Keramikpackage als DAC800P auch im Epoxidgehäuse erhältlich. Ansonsten handelt es sich beim vorliegenden Modell um dieselbe Variante V mit Spannungsausgang.
Spaltet man das hitzebehandelte Package und entfernt man die Trägerplatte der Dies, so zeigt sich, dass der DAC800P grundsätzlich genauso aufgebaut ist wie der DAC800 im Keramikgehäuse. Hier befinden sich die beiden Dies allerdings auf demselben Potential. Isolierte Verbindungen vom negativen Versorgungspotential zu den beiden Substraten und den jeweiligen Bondpads wurden hier nicht integriert. Die elektrischen Eigenschaften könnten daher etwas schlechter sein.
Das große Die enthält denselben Digital-Analog-Wandler wie er auch im DAC800 enthalten war. Den Abdrücken auf den Bondpads nach zu urteilen, kamen auch hier für die Verbindungen zwischen den Dies andere Bonddrähte zum Einsatz als für die Verbindungen nach außen. Ein Schutzgel wie beim DAC811 kam hier nicht zum Einsatz.
Die Maskenrevisionen haben sich im Vergleich zum obigen DAC800 nicht geändert.
Der Operationsverstärker, der den Spannungsausgang darstellt, ist ebenfalls derselbe wie im obigen DAC800.