Der HA16633 ist ein von Hitachi entwickelter Digital-Analog-Wandler mit einer Auflösung von 16Bit. Über diesen Baustein sind leider nur sehr wenig Informationen verfügbar.
Den HA16330 hat Hitachi in seinem CD-Player DA-1000 eingesetzt. Die obige Werbung für den DA-1000 stammt aus der Zeitschrift Audio vom Februar 1983 (Heft 2). Sie zeigt, die von Hitachi entwickelten speziellen Schaltkreise, darunter auch der HA16633. Der DA-1000 wurde allerdings sehr schnell auf den Digital-Analog-Wandler PCM53 von Burr-Brown umgestellt. Das Servicemanual aus dem Jahr März 1983 enthält noch den HA16633, die Version vom April 1983 verweist bereits auf den PCM53. Die Variante mit dem PCM53 hat Hitachi unter der Bezeichnung DA-1000R geführt. Sie ist mit einem R auf der Rückseite des Gehäuses gekennzeichnet.
Der DA-1000 wurde unter anderen Namen von diversen anderen Herstellern vertrieben: Brandt DAD-001, Continental Edison DAD-9370, Denon DCD-2000, Dual CD 120, JVC XL-V1, Nordmende ADS-2000, Pathe Marconi LA-10, Saba CDP 380, Thomson AD-100.
Im IEEE-Artikel "An Untrimmed D/A Converter with 14-Bit Resolution" beschreiben Hitachi-Mitarbeiter einige Details zur Funktionsweise des HA16633. Der dort vorgestellte 14Bit-Digital-Analog-Wandler stellt die Grundlage für den HA16633 dar. Man war bereits zuversichtlich das Konzept auf 16Bit erweitern zu können.
Als Digital-Analog-Wandler für einen CD-Player musste der HA16330 eine ausreichend hohe Auflösung bieten und gleichzeitig möglichst günstig sein. Um auf einen aufwändigen Laserabgleich der integrierten Widerstände verzichten zu können, hat man eine Schaltung integriert, die es ermöglicht Fehler des DACs zu bestimmen. Die notwendigen Korrekturwerte werden in einem Speicher abgelegt und steuern im weiteren Betrieb zusätzliche Schaltungsteile im Bereich des DACs, die den Fehleranteil der Ausgangsspannung korrigieren.
Das Funktionsprinzip ist ähnlich der Arbeitsweise, die für den C5360 geplant gewesen wäre, der im Rahmen des TF536 beschrieben ist. Die Bestimmung der Fehler erfolgt dabei über den Vergleich der Ausgangsspannung mit einer Spannungsrampe. Durch diese Vorgehensweise muss man nicht eine Spannung genau bestimmen, sondern nur einen Zeitraum, was bedeuten einfacher ist.
Die Spannungsrampe wird mit einem externen Kondensator erzeugt. Ein Komparator vergleicht die Spannungsrampe mit der aktuellen Ausgangsspannung des Digital-Analog-Wandlers.
Der Zähler 2 bedient die höchstwertigsten fünf Bit des Digital-Analog-Wandlers, wo die absoluten Fehler der einzelnen Bits sich am stärksten auswirken. Der Zähler sorgt dafür, dass nacheinander alle 32 Zustände dieser fünf MSBs ausgewählt werden. Für jeden Wert wird ein Korrekturwert ermittelt.
Zur Entwicklung des Korrekturwerts zählt der Zähler 1 die Impulse des Taktsignals, das von außen zugeführt wird. Erreicht die Spannungsrampe das Potential der Ausgangsspannung so stoppt der Zähler. Der bestimmte Wert wird abgespeichert und der Zähler 2 wird inkrementiert, um die nächste Stufe abzugleichen. Ist die Schaltung und die Taktfrequenz richtig ausgelegt, dann erzeugt der Zähler direkt den notwendigen Korrekturwert, den man ohne Weiteres in den Speicher ablegen kann.
Der "Selector" ermöglicht den Durchgriff auf den Eingang des Digital-Analog-Wandlers. Im normalen Betrieb steuern die fünf höchstwertigsten Bits nicht nur den DAC, sondern auch die Auswahl des notwendigen Korrekturwerts im Speicher.
Je nachdem wann der Komparator umschaltet, werden entweder mehr oder weniger Impulse gezählt. Die Anzahl der Impulse ist proportional zum Fehler der Stufen. Mit einem Taktsignal von 1MHz benötigt der 14Bit-Konzept-DAC 120ms für einen Durchlauf der Rampe.
Die Spannungsrampe des HA16633 muss ausreichend linear sein. Kritisch ist dabei der Integrationskondensator, der extern zu ergänzen ist. Am besten geeignet sind Styrol-Kondensatoren, deren Linearität ausreicht, um einen Abgleich von bis zu 17Bit darzustellen.
Es existieren zwei sehr ähnliche IEEE-Artikel, die das Konzept des HA16633 beschreiben. Beide Dokumente tragen den Titel "An Untrimmed D/A Converter with 14-Bit Resolution". Das eine Dokument wurde auf der IEEE International Solid-State Circuits Conference 1981 vorgestellt. Das zweite Dokument findet sich im Rahmen des IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-16, No. 6. Im ersten Dokument wird lediglich ein einfacher Abgleich beschrieben. Das zweite Dokument beschreibt einen etwas komplexeren Ablauf und enthält auch ein dazu passendes Diagramm.
Wie bereits dargestellt, müssen Taktsignal und Spannungsrampe so abgestimmt sein, dass sich aus dem Stand des Zählers 1 direkt der notwendige Korrekturwert ergibt. Da es schwierig ist diesen Arbeitspunkt exakt zu erreichen, findet innerhalb der Steuerungslogik eine Anpassung statt. Wird beim ersten Abgleich beim Maximalwert des Zählers eine relevante Abweichung erkannt, dann modifiziert die Steuerung die Zahl im Zähler 1 bei jeder Stufe des Digital-Analog-Wandlers. Dem IEEE-Artikel nach wird der Abgleich insgesamt dreimal durchgeführt.
Das Service Manual des DA-1000 enthält einen vollständigen Schaltplan des CD-Players, ein Blockschaltbild des HA16633 und eine Abgleichanleitung. Demnach wird der Baustein neben einem analogen und einem digitalen Bezugspotential mit vier weiteren Potentialen versorgt: 12V, 8V, 5V und -5V. Im Blockschaltbild ist der Pin 31 mit den Buchstaben INT bezeichnet. Tatsächlich muss es aber INJ heißen, da der Pin die I2L-Logik des Bausteins versorgt ("Injektor"). Die Referenzspannung wird intern erzeugt, über den Pin REF OUT ausgegeben und über den Pin REF IN wieder eingelesen. Am Pin CEX kann man anscheinend einen Kondensator zur Rauschunterdrückung anschließen. Höchstwahrscheinlich entstört die Kapazität die Referenzspannungsquelle.
Das Konzept der Fehlerkorrektor entspricht Großteils dem Konzept aus den IEEE-Artikeln. Über den Pin IVOL lässt sich anscheinend die Steigung der Spannungsrampe einstellen, die zum Abgleich verwendet wird. An den Pins INT IN und INT OUT ist der Integrationskondensator anzuschließen.
Auch hier werden lediglich die fünf höchstwertigsten Bits korrigiert. Ein 6Bit-Zähler aktiviert nacheinander die einzelnen Stufen dieser 5Bits und sperrt danach das Taktsignal. Der zweite Zähler, der die Korrekturwerte bestimmt, ist ein 12Bit-Zähler. Der RAM übernimmt die Korrekturwerte des 12Bit-Zählers, allerdings nur 8Bit davon. Das passt zur Darstellung in den IEEE-Artikeln. Es wird sich aber auch noch zeigen, dass der RAM nur Platz für 256Bit bietet und so nicht mehr als 8Bit-Korrekturwerte für die 32 Stufen abgelegt werden können. Im normalen Betrieb erfolgt die Adressierung des RAM mit den fünf höchstwertigsten Bits, die an der digitalen Schnittstelle anliegen. Der Speicher überträgt dann automatisch die jeweils passenden Korrekturwerte zum Digital-Analog-Wandler.
Unklar bleibt die Funktion der sogenannten "4Bit-Klinke". In den IEEE-Artikeln findet sich keine Erklärung dafür. Der Pfeil führt zu dem Block "Verstärkerkorrektur-Schaltkreis für nachgeordnete 11 Bit". Dessen Funktion ist ebenso unklar. Die Korrekturschaltung für die Fehler des DACs ist in den DAC-Block integriert. Aus diesem Grund werden die Korrekturdaten des RAM auch direkt dorthin geleitet. Vielleicht ist der Pfad "4Bit-Klinke" ein Fehler im Blockschaltbild oder eine ungenaue Darstellung einer Funktion der Steuerungslogik.
Die Pins RO1 bis RO8 finden sich im Blockschaltbild nicht. In der Auflistung der Anschlüsse wird die Schnittstelle als "Anschluß für RAM-Prüfung" beschrieben. Anscheinend hat man hier eine Schnittstelle zum internen RAM geschaffen. Das ist verwunderlich, da es sich immerhin um acht Pins handelt, die dafür vorgehalten wurden. Während der Produktion war keine ausführliche Vermessung des Bausteins notwendig, da kein Abgleich erfolgte. Vielleicht hat man deswegen die Möglichkeit geschaffen nach der Produktion über diese RAM-Schnittstelle die initialen Fehler des DACs und damit die Qualität der integrierten Schaltung zu prüfen.
Die Abgleichanleitung des DA-1000 beschreibt einen Schritt, der am HA16633 durchzuführen ist. Dabei wird mit dem Widerstand R403 die Spannungsrampe des Digital-Analog-Wandlers an das Taktsignal angepasst. Der automatische Selbstabgleich des HA16633 wird anscheinend bei jedem Schließen der Tür des CD-Laufwerks angestoßen. In der Folge kann man mit einem Frequenzzähler am Pin COUNT (TP.6) die Impulse zählen, die während des Abgleichs den 12Bit-Zähler steuern. Der Zielwert beträgt laut Servicemanual 254.000 +/-1.000. Ein Diagramm zeigt, dass ab einer Abweichung von +/-6.000 die Verzerrungen stark ansteigen.
Die 254.000 Impulse passen gut zum Gesamtbild. Mit dieser Anzahl von Impulsen kann der 12Bit-Zähler 62 mal befüllt werden. Die fünf höchstwertigsten Bit des DAC stellen aktiv 31 Stufen dar. Das bedeutet, dass der vollständige Abgleich zweimal durchlaufen wird.
Zersetzt man die Epoxidmasse bei hohen Temperaturen, so kann man das Die mit den Abmessungen 5,7mm x 4,8mm freilegen. Auf der Oberfläche verbleibt eine dunkle Schicht. Üblicherweise handelt sich dabei um eine Polyimidschicht, die den Schaltkreis schützt und bei erhöhten Temperaturen ebenfalls verbrannt und entfernt werden kann. Hier fällt allerdings auf, dass sich in der dunklen Schicht überraschend deutlich Leitungen abzeichnen.
Der bereits erwähnte IEEE-Artikel verweist auf einen weiteren IEEE-Artikel mit der Überschrift "Planar Multilevel Interconnection Technology Employing a Polyimide". Darin wird eine spezielle Möglichkeit beschrieben eine zweite Metalllage auf einen integrierten Schaltkreis aufzubringen. Außergewöhnlich ist dabei, dass sich zwischen den Metalllagen eine Polyimidschicht befindet. Als Passivierungsschicht kommt eine weitere Polyimidschicht zum Einsatz. Diese Technik scheint beim HA16633 zum Einsatz gekommen zu sein.
Der IEEE-Artikel beschreibt weiter, dass es sich um ein spezielles Polyimid handelt, dass noch etwas höheren Temperaturen Stand hält: "polyimide isoindroquinazoline-dione" oder PIQ. Die Temperaturfestigkeit ist notwendig, damit man auf der ersten Polyimidschicht die zweite Aluminiumschicht aufgetragen kann.
Auch diese temperaturfesteren Polymidschichten lassen sich mit erhöhten Temperaturen zersetzen. Leider geht dabei auch die zweite Metalllage verloren.
Dieser HA16633 wurde bei der Firma HTV (https://www.htv-gmbh.de/) chemisch geöffnet. Beherrscht man diesen Prozess, so ist es sogar möglich die Bonddrähte zu erhalten, wie man hier schön sieht.
Die Bonddrähte sind chemisch und mechanisch vollkommen unbeschädigt.
An den Kanten der Öffnung kann man den in der Epoxidmasse enthaltenen Füllstoff erkennen. Es handelt sich um sehr unterschiedliche Siliziumoxid-Bruchstücke mit einem Durchmesser von bis zu 100µm. Für moderne Bauteil ist der Füllstoff oft deutlich genauer spezifiziert. Teilweise wird sogar extra Silan verbrannt, um Siliziumoxid mit exakt den gewünschten Eigenschaften zu erzeugen.
Die Chemikalien, die zum Auflösen des Epoxidgehäuses eingesetzt wurden, haben leider auch das Polyimid aufgelöst. Die zweite Metalllage ist teilweise noch relativ unbeschädigt vorhanden, teilweise ist sie aber auch komplett verloren gegangen. An manchen Stellen wurde sogar die erste Metalllage angegriffen. Löst man die schützende Polyimidschicht auf, so ist die erste Metalllage vollständig den Säuren ausgesetzt. Bei anderen Bauteilen, die Siliziumoxid oder Siliziumnitrid als Passivierungsschicht nutzen, bleibt die Metalllage abgesehen von den Bondflächen durch die Passivierungsschicht geschützt.
Die Leitungen der zweiten Metalllage haben sich an manchen Stellen aufgestellt und behindern teilweise die Sicht auf die darunter liegenden Schaltungsteile.
An der Kante des Dies ist die Bezeichnung HA16633 abgebildet.
Außerdem finden sich Quadrate, die höchstwahrscheinlich dazu dienen die Ausrichtung der Masken gegeneinander zu überprüfen.
Auf dem Die ist nur eine funktionale Teststruktur integriert. Es handelt sich dabei nicht um einen einfachen Transistor, sondern um ein I2L-Element. Die Funktionsweise einer I2L, "Integrated Injection Logic", ist im Rahmen des CA3161 genauer beschrieben.
Im Randbereich des Dies finden sich auch vier Bipolartransistoren. Die Strukturen besitzen allerdings keine Kontakte.
In den IEEE-Artikeln ist ein Bild des 14Bit-DAC-Konzepts abgebildet. Dieses Die ist 5,2mm x 4,1mm groß, beinhaltet 1230 I2L Gatter und 470 sogenannte lineare Komponenten.
Die einzelnen Funktionsblöcke sind beschriftet und teilweise deutlich voneinander abgegrenzt. Das ist sinnvoll, damit sich die Schaltungsteile nicht stören, es ergibt sich aber teilweise auch auf Grund der unterschiedlichen Technologien, die für Steuerungslogik, Speicherzellen und die analogen Umfänge zum Einsatz kommen.
Zwischen den Funktionsblöcken befindet sich eine große Anzahl an Testpads. Die Autoren der IEEE-Artikel gehen davon aus, dass die Siliziumfläche um 72% reduziert werden könnte und ein Gehäuse mit 28 Pins ausreichend wäre.
Die Anordnung der Schaltungsteile ist im HA16633 sehr ähnlich. Die Signalführung lässt sich auf Grund der beschädigten Metalllage nur schwer analysieren, man kann aber einige größere Bussysteme erkennen.
Die Leitungen der Potentiale RO1-RO8 haben leider auf allen Bildern stark gelitten. Sie scheinen allerdings nach links zum Ausgang des RAMs geführt zu haben. Das spricht für die Theorie, dass darüber der Inhalt des Speichers ausgelesen werden konnte.
Die I2L-Steuerungslogik im rechten Teil des Dies befindet sich in einer hellgrünen Wanne, die sie deutlich von anderen Schaltungen abgrenzt. Kleinere Logikbereiche finden sich außerdem unterhalb des Analogbereichs und neben dem RAM-Block.
Die Steuerungslogik besteht aus mehreren Zeilen, in denen die I2L-Gatter nebeneinander aufgereiht sind. Mittig sind mehrere dicke Widerstandsstreifen integriert, die Vorwiderstände in der I2L-Versorgung darstellen.
Die I2L-Strukturen kann man deutlich erkennen. Die Funktionsweise ist im Rahmen des CA3161 genauer beschrieben.
Der Speicherbereich ist durch seine regelmäßige Struktur ebenfalls deutlich zu erkennen. Ihn umgeben Schaltungsteile, die es ermöglichen Zellen auszuwählen, auszulesen oder zu beschreiben.
Man versteht relativ schnell, dass jeweils ein Paar der lila erscheinenden Streifen eine Speicherzelle darstellen. Die Funktionsweise erschließt sich allerdings nicht sofort.
Eine Erklärung liefert die Zeitschrift Electronics (14. Februar 1972). Die sechs Transistoren, die die Strukturen darstellen und ihre Verschaltung sind schwierig zu erkennen, da Teilbereiche des Siliziums von mehreren Elementen genutzt werden. Das ist gleichzeitig eine Herausforderung dieser Speichertechnologie. Man muss die Schichtdicken und Dotierungen so einstellen, dass sich keine unkontrollierte Leitfähigkeit wie bei einem Thyristor einstellt. Die einzelnen Zellen verhalten sich wie ein Flip-Flop.
Bei den analogen Schaltungsteilen im unteren Bereich ist der Digital-Analog-Wandler relativ gut zu erkennen. Die anderen Elemente wie Komparator, Referenzspannungsquelle und Integrator sind schwieriger zu identifizieren, vor allem weil die zweite Metalllage fehlt.
Da keinerlei Abgleich während der Fertigung erfolgte, musste man sich wahrscheinlich bei der initialen Genauigkeit und dem Temperaturdrift der Referenzspannung mit gewissen Schwächen abfinden. Beide Parameter werden üblicherweise abgeglichen. Die IEEE-Artikel spezifizieren einen Temperaturdrift von 20ppm/°C.
Die IEEE-Artikel zeigen wie der Haupt-DAC mit dem Korrektur-DAC verknüpft ist. Die höchstwertigsten elf Bits des DACs (D14-D4) schalten elf gleiche Stromquellen, die an eine R2R-Widerstandskette angebunden sind und so die passenden Beiträge zum Ausgangspegel liefern. Die kleinsten drei Bits (D3-D1) steuern drei Transistoren, die mit einer gemeinsamen Stromsenke verbunden sind. Durch die unterschiedlichen Größen der Transistoren ergeben sich passend gestufte Stromanteile. Über den Transistoren sind lediglich einfache Schalter dargestellt. Tatsächlich handelt es sich um Umschalter, damit sich die jeweiligen Stromanteile nicht ändern. Aus demselben Grund ist der zweite 4x Transistor notwendig, der fest mit der Versorgungsspannung verbunden ist. Nur so ergibt sich das notwendige Verhältnis von 16:8:4.
Der Korrektur-DAC bietet eine Auflösung von 8Bit. Die obersten drei Bit (C6-C4) schalten weitere Stromsenken und verbinden sie direkt mit dem R2R-Teiler des Haupt-DAC. So spart man sich die Integration einer weiteren Widerstandskette. Dazu kommt eine Stromsenke mit fünf unterschiedlich großen Transistoren darüber (C3-C1/4). Hier beträgt das Verhältnis 16:8:4:2:1.
Die IEEE-Artikel geben an, dass die größten Fehleranteile durch die obersten fünf Bits erzeugt werden. Üblicherweise sind die Fehler nicht größer als +/-32LSB (bezogen auf 14Bit). Die obige Konstruktion ermöglicht theoretisch ein Abgleich auf bis zu +/-1/4LSB. Praktisch geben die IEEE-Artikel +/-1/2LSB an, zeigen aber nur Ergebnisse im Bereich von +/-1LSB.
Die Schaltungsteile der Digital-Analog-Wandler sind auf dem HA16633 gut zu identifizieren. Im unteren Bereich befinden sich 17 Widerstände, die jeweils aus einer Serienschaltung von drei schrägt gestellten Widerständen dargestellt werden (hellgrün). Darüber befinden sich 14 schaltbare Stromsenken und 3 nicht schaltbare Stromsenken (dunkelgrün). Über den Stromsenken ist der R2R-Stromteiler aus schräg gestellten, längeren Widerstandsstreifen aufgebaut (gelb). Bei den Stromsenken kann man erkennen, dass die Bits D8-D6 mit Korrektur-Stromsenken verbunden sind (C8-C6).
Oberhalb des R2R-Stromteilers befinden sich die unterschiedlich großen Transistoren, die mit zwei Stromsenken die restlichen Anteile des Haupt-DACs (D5-D1) und des Korrektur-DACs (C5-C1) darstellen. Die gleichen Größenverhältnisse von Haupt-DAC und Korrektur-DAC sind deutlich zu sehen. Darüber befinden sich die zugehörigen Umschalter.
Es bleibt eine Stromsenke, die exklusiv mit einem Transistor der Größe "4x" verbunden ist (I_R0). Der Zweck dieses Pfads bleibt offen. Die Basis des Transistors I_R0 ist mit den Emittern der Transistoren C5-C1 verbunden. Eine Beeinflussung in diese Richtung sollte nicht stattfinden. Womit der Kollektor des Transistors verbunden war, lässt sich nicht mehr rekonstruieren. Vielleicht schließt sich hier eine Regelschleife, die den Arbeitspunkt des DACs einstellt.
Modifiziert man das IEEE-Schaltbild entsprechend, so zeigt sich, dass man für die Erweiterung des Haupt-DAC auf 16Bit die Transistoren oberhalb der letzten Stromsenke lediglich um zwei weitere, entsprechend kleinere Transistoren ergänzt hat. Der Korrektur-DAC hat sich nicht geändert, wobei jetzt die untersten Bits dort nur noch bis C1 reichen, also höchstens eine Korrektur um +/-1LSB ermöglichen. Mit den Spezifikationen des IEEE-DACs kann man davon ausgehen, dass sich der HA16633 maximal auf +/-2LSB abgleichen kann, wahrscheinlich sogar nur auf +/-4LSB.
Die restlichen analogen Schaltungsteile sind deutlich schwieriger zu identifizieren.
Die Schaltung des Komparators ist in den IEEE-Artikeln abgebildet. Er soll eine Reaktionszeit von höchstens 130ns aufweisen.
