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Hybrid Systems DAC327

DAC327

Der DAC327 von Hybrid Systems ist ein 16Bit Digital-Analog-Wandler mit einem großen Betriebstemperaturbereich von -25°C bis 85°C. Die Signalanstiegszeit beträgt 0,5V/µs. Die Einschwingzeit gibt das Datenblatt mit 100µs für einen 10V-Sprung und 50µs für einen 0,6mV-Sprung an. Der Linearitätsfehler liegt typischerweise bei 0,003% der Vollaussteuerung. Der differentielle Linearitätsfehler liegt bei maximal 2LSB mit einem typischen Temperaturdrift von +/-5ppm/°C. Der Verstärkungsfaktor driftet mit typischerweise +/-20ppm/°C. Der Offsetfehler, der initial mit 10mV angegeben wird, besitzt einen Temperaturkoeffizienten von maximal +/-2ppm/°C.

 

DAC327 Gehäuse

Der DAC327 befindet sich in einem Metallgehäuse. Der Deckel ist an der oberen Kante verschweißt.

 

DAC327 Gehäuse

DAC327 Gehäuse

Kleine Halbkugeln auf der Unterseite des Bausteins sorgen für einen gewissen Abstand zur Platine.

 

DAC327 Datenblatt BLockschaltbild

Das Datenblatt des DAC327 enthält ein Blockschaltbild, das den Aufbau und die verfügbaren Varianten beschreibt. Der Digital-Analog-Wandler basiert auf Präzisionswiderständen, die mit viermal vier Stromschalter schaltbare Stromsenken bilden. Hier handelt es sich um einen DAC327C-16-ER. 16 steht für eine binäre 16Bit breite digitale Schnittstelle. Die Variante 4D besitzt dagegen eine BCD-Schnittstelle.

Die Präzisionswiderstände generieren mit einer Referenzspannung einen zum Digitalwert proportionalen Strom. Der DAC327 konnte mit integrierter 10V-Referenzspannungsquelle bezogen werden. Der vorliegenden Variante mit der Endung ER fehlt diese Referenz. Hier ist die Referenzspannung über den Pin 22 einzuspeisen, der bei Varianten mit integrierter Referenz zur Anpassung des Verstärkungsfaktors und damit des Ausgangsspannungsbereichs dient.

Am Ausgang des DAC327 befindet sich ein Operationsverstärker, der letztlich den Spannungsausgang darstellt.

 

DAC327 Aufbau

Der DAC327 ist in Hybridtechnik auf einem Keramikträger aufgebaut.

 

DAC327 Analyse

Der DAC327 ähnelt stark dem DAC80 von Burr-Brown. Die 16Bit breite Digitalschnittstelle wird von vier Stromschaltern (1x1 bis 1x4) verarbeitet, denen vier Widerstandarrays (R1x1 bis R1x4) beigestellt sind. So ergeben sich 16 Stromsenken. Über die Widerstandarrays R12 und R123 werden die Ströme der unteren drei Stromsenken (1x1 bis 1x3) passend heruntergeteilt und mit dem Strom der obersten Stromsenke 1x4 in der sogenannten Summing Junction zusammengeführt.

Der Operationsverstärker OP1 ist der Ausgangsverstärker, dessen Frequenzgang mit einem Keramikkondensator angepasst wurde. Der Rückkopplungswiderstand ist im Widerstandsnetzwerk RM integriert.

Der Operationsverstärker OP2 generiert mit der Stromsenke 1x4 den Referenzstrom. Er nutzt dazu das Widerstandnetzwerk RM.

In der unteren rechten Ecke befinden sich die Bestückplätze für die interne Referenzspannungsquelle. Das Layout zeigt, dass es sich um zwei Teile handelt, höchstwahrscheinlich eine Z-Diode als Referenzspannungsquelle (REF) und ein Operationsverstärker als Puffer (OP3).

Im oberen Bereich des Keramikträgers befindet sich ein weiterer nicht genutzter Bestückplatz (BCD). Die Anordnung der Leiterzüge lassen vermuten, dass es sich um eine Aufbereitung des alternativen BCD-Eingangssignals handelt. In diesem Bereich befindet sich auch der Override-Pin, der bei der BCD-Variante eine Übersteuerung auf bis zu 12V ermöglicht.

Die Substrate der einzelnen Komponenten sind teilweise mit dem Massepotential und teilweise mit dem -15V-Potential verbunden. Das Massepotential dient als globales Bezugspotential und wird daher sternförmig verteilt. Die beiden Stromteiler R12 und R123 besitzen exklusive Zuleitungen, da der Ableitstrom dort mit der eingestellten Ausgangsspannung variiert. Diese Änderungen dürfen sich nicht auf die anderen Schaltungen auswirken.

 

DAC327 ICL8018

DAC80 ICL8018 Schaltplanausschnitt

Wie beim DAC80 kommen als Stromschalter und Stromsenken Intersil ICL8018 zum Einsatz, die laut Datenblatt für 12Bit-Digital-Analog-Wandler optimiert wurden. Anscheinend sind sie auch für eine Auflösung von 16Bit ausreichend.

Der ICL8018 ist ausführlich im Rahmen des DAC80 beschrieben. Das obige Schaltbild aus dem Datenblatt des ICL8018 zeigt die grundsätzliche Funktionsweise.

 

DAC327 ICL8018

DAC327 ICL8018

DAC327 ICL8018

DAC327 ICL8018

Die Oberflächen der ICL8018 scheinen alle sehr unsauber. Vor allem an den Bondpads befinden sich einige an Luftblasen erinnernde Artefakte. Aber auch auf der restlichen Flächen der Dies sind diverse Flecken zu erkennen. Die Ursache für diese Unregelmäßigkeiten und die Auswirkungen auf die Schaltung bleiben unklar.

 

DAC327 ICL8018 Widerstände

Jeder ICL8018 besitzt ein Widerstandarray, das fünf Widerstände mit Bezug zum -15V-Potential enthält. Vier Widerstände sind entsprechend der binären Gewichtung abgestuft: 8/4/2/1. Bei dem ICL8018, der die vier MSB umsetzt, wird der fünfte Widerstand für die Erzeugung des Referenzstroms genutzt.

Die kleineren drei Widerstände wurden jeweils in zwei unterschiedlichen Bereichen abgeglichen. Im ersten Bereich verlängert der Abgleich die Länge des Widerstands, was zu einer großen Änderung des Widerstandwerts führt. Im zweiten Bereich reduziert der Abgleich die Breite der wirksamen Widerstandsfläche, was zu einer kleineren Änderung des Widerstandwerts führt. So kann der Widerstand zuerst grob und dann fein abgeglichen werden. Dass der kleinste Widerstand R sehr genau abgeglichen wurde, sieht man an den vielen Spuren. Die Anforderungen an diesen Widerstand sind am höchsten. Das Datenblatt des ICL8018 enthält einen Schaltungsvorschlag für einen 12Bit-DAC, wo die Widerstände teilweise bis auf 0,01% abgeglichen sein müssen.

 

DAC327 ICL8018 Widerstände

Bei den niederwertigeren Stromsenken (hier R1x2) wurden die Widerstände der optischen Erscheinung nach weniger genau abgeglichen. Die Anforderungen sind hier geringer, da das Ausgangssignal und damit auch die auftretenden Fehler heruntergeteilt werden.

 

DAC327 ICL8018 Widerstände

Wahrscheinlich erfolgte der Abgleich der Widerstände mit einem Laser.

 

DAC327 Stromteiler

Zwei kleine Widerstandarrays (R12 und R123) übernehmen das Herunterteilen der Ströme der niederwertigeren Stromsenken, so dass deren Anteile ihren zugeordneten Digitalwerten entsprechen. Die Arrays sind gleich aufgebaut, werden aber unterschiedlich genutzt.

Bei den großen Widerstandarrays waren bereits unsaubere Kanten zu erahnen. Bei den kleineren Widerstandarrays sind die Schäden noch deutlicher zu erkennen. Wahrscheinlich war die Vereinzelung der Grund für die Degeneration des Materials. An der linken Kante des ersten Arrays sind verhältnismäßig große Teile abgesplittert. Die rechte Kante erweckt bei beiden Arrays den Eindruck, als ob sie zu heiß geworden wäre. Verfärbungen ziehen sich bis in den Bereich der Widerstände.

Auf jedem Widerstandarray sind zwei 1/16-Teiler integriert. Beim ersten Array wird der Strom der 1x1-Stromsenken durch 16 geteilt, mit dem Strom der 1x2-Stromsenken zusammengeführt und noch einmal durch 16 geteilt. Die Teilerwiderstände wurde abgeglichen. Der vorangepasste Strom aus dem linken Array wird mit dem Strom der 1x3-Stromsenke zusammengeführt und zum rechten Array geführt. Nach einer weiteren 1/16-Anpassung mündet der Gesamtstrom in die Summing Junction. Insgesamt ergibt sich so ein Teilerfaktor von 4096 für die 1x1-Stromsenken, ein Teilerfaktor von 256 für die 1x2-Stromsenken und ein Teilerfaktor von 16 für die 1x3-Stromsenken.

 

DAC327 Opamp

Der Operationsverstärker am Ausgang des DAC327 zeigt keine außergewöhnlichen Strukturen. Hersteller und Typ sind nicht erkennbar. Die zwei ungenutzten Bondpads scheinen einen Offsetabgleich zu ermöglichen. Auffällig ist der Kompensationskondensator, dessen obere Elektrode sehr viel größer ausgeführt werden könnte.

 

DAC327 Kondensator

Der externe Kompensationskondensator des Ausgangsoperationsverstärkers wurde auf den Keramikträger aufgeklebt und mit Bonddrähten angebunden.

 

DAC327 Opamp

Der Operationsverstärker, der mit dem ICL8018 1x4 den Referenzstrom erzeugt, zeigt ebenfalls keinen außergewöhnlichen Aufbau. Auch hier ist weder Typ noch Hersteller erkennbar.

 

DAC327 Widerstandarray

Wie die anderen Widerstandarrays weist auch das Widerstandarray RM an den Kanten eine deutliche Degeneration auf.

Das Array dient den beiden Operationsverstärkern OP1 und OP2. Zwei Widerstände sind an die Eingänge des OP2 angebunden. Hier zeigt sich, dass die Verschaltung eher dem Applikationsvorschlag im ICL8018 entspricht und weniger dem Blockschaltbild im Datenblatt des DAC327. Der Referenzstrom wurde hier abgeglichen.

Zwischen dem Ausgangspotential und der Summing Junction sind drei Widerstände parallelgeschaltet. Der Gesamtwiderstand stellt den Rückkopplungswiderstand des Ausgangsoperationsverstärkers OP1 dar, der auch abgeglichen wurde. Der optischen Erscheinung nach kann man den Widerstandswert halbieren, indem man den oberen Bonddraht zum Ausgangspotential entfallen lässt. Das ist für das BCD-Variante des DAC327 notwendig. Der zweite Eingang des OP1 ist, anders als im Blockschaltbild dargestellt, über einen Widerstand mit dem Massepotential verbunden. Ähnliche Widerstandswerte an den Eingängen sorgen dafür, dass sich die Biasströme des Operationsverstärkers weniger auf das Nutzsignal auswirken.

 

DAC327 Widerstandarray Detail

Der Rückkopplungswiderstand wurde umfangreich abgeglichen. Hier sind auch wieder unterschiedliche Flächen für einen Grob- und einen Feinabgleich integriert. Der obere Widerstand wurde über die komplette Länge eingeschnitten.

 

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