Richi´s Lab

Burr-Brown DAC709

DAC709

DAC709 Blockschaltbild

Der Burr-Brown DAC709 ist ein 16Bit-Digital-Analog-Wandler, der in drei Varianten erhältlich war. Das Datenblatt enthält ein Blockdiagramm, das allgemein den Aufbau und die verschiedenen Konfigurationen anschaulich darstellt.
Der DAC707 kann an einen 16Bit breiten Datenbus angebunden werden, während der DAC708 und der DAC709 nur eine 8Bit breite Schnittstelle bieten. Alternativ können die Daten bei DAC708 und DAC709 auch seriell übertragen werden. Alle Varianten enthalten die notwendige Logik, um sie direkt an einen Datenbus anzubinden.
Bei allen Modellen ist eine Referenzspannungsquelle enthalten. Der DAC707 und der DAC709 besitzen zusätzlich einen Ausgangsverstärker.

Die Variante KH ist für einen Temperaturbereich von 0°C bis 70°C spezifiziert. Es existiert eine SH-Variante, deren Betriebstemperatur sich zwischen -55°C und +125°C bewegen darf. Der DAC707 konnte zusätzlich mit einem durchlaufenen Burn-In-Test bestellt werden. Je nach Variante betrug die Temperatur während des 160 Stunden dauernden Burn-In-Tests 100°C oder 125°C.

 

Das Datenblatt beschreibt die Leistungsfähigkeit des Digital-Analog-Wandlers sehr ausführlich:
(KH-Variante; typische Werte; bezogen auf Vollaussteuerung)

Linearity Error: +/- 0,0015 %
Differential Linearity Error: +/- 0,003 %
Gain Error: +/- 0,07 %
Zero Error: +/- 0,05 %
Power Supply Sensitivity Vcc: +/- 0,0015 %/%Vcc
Power Supply Sensitivity Vdd: +/- 0,0001 %/%Vdd

Total Error Over Temp Range: +/- 0,08 %
Total Full Scale Drift: +/- 10 ppm/°C
Gain Drift: +/- 10 ppm/°C
Zero Drift: +/- 2,5 ppm/°C
Differential Linearity Drift: max + 0,009 / - 0,006 %
Linearity Error: max +/- 0,006 %

Settling Time (to +/-0,003%; voltage output): 4 µs
Slew Rate: 10 V/µs
Settling Time (to +/-0,003%; current output in 10Ω to 100Ω): 350 ns

 

Die typische Verlustleistung ist mit 535mW nicht unerheblich.

 

 

DAC709 Aufbau

Im Package befinden sich zwei Dies. Das linke Die stellt die Logik dar. Das rechte Die beinhaltet den eigentlichen Digital-Analog-Wandler, der mit 16 Potentialen an das Logik-Die angebunden ist. Die Signalweiterleitung im Package ist mehrlagig ausgeführt und besitzen entsprechend runde Durchkontaktierungen.
Die Aufteilung von Logik und Digital-Analog-Wandler ermöglichte es für jedes Die einen idealen Herstellungsprozess auszuwählen. Die Logik besteht dabei aus einem klassischen CMOS-Prozess, während beim Digital-Analog-Wandler ein für Analogschaltungen optimierter Bipolar-Prozess zum Einsatz kommen konnte.

 

DAC709 Aufbau Detail

Mit ziemlicher Sicherheit befindet sich in den anderen beiden DAC-Varianten der gleiche Digital-Analog-Wandler. Entweder wurde dort das Logik-Die ausgetauscht oder man kann über eine andere Bondkonfiguration das gleiche Logik-Die anders konfigurieren. Die Bondflächen in der rechten oberen Ecke des Dies erwecken den Eindruck als ob sie für eine solche Konfiguration genutzt werden könnten. Dort sind zwei Bonddrähte auf eine isolierte Fläche gebondet, so dass sie lediglich miteinander verbunden sind. Gleichzeitig befinden sich daneben zwei Flächen, die sich als Bondalternativen anbieten würden.

 

DAC709 Logik Die

Das Logik-Die ist ein klassisches Gatearray mit relativ großen Strukturen.

 

DAC709 Logik Die Detail

Das Gatearray besitzt nur eine Metalllage. Um dennoch alle notwendigen Verbindungen darstellen zu können, befindet sich zwischen den grünen Doppelzeilen rote Streifen mit drei Kontakten zur Metalllage. Diese roten Streifen ermöglichen es Potentiale unter einer Leitung der Metalllage hindurch zu führen.

 

DAC709 Logik Die Detail

Die grünen Doppelzeilen stellen den aktiven Bereich des Gaterarrays dar. Jede zusammenhängende, grüne Flächen bildet mit einem roten Streifen als Gateelektroden einen MOSFET. Mehrere MOSFETs sind zu Blöcken zusammengefasst, die bereits gewisse Gatter darstellen. Dazwischen bilden isolierte rote Leitungen einfache Verbindungen, die den Bereich der MOSFETs nur überbrücken.

 

DAC709 Logik Die Detail

Das Gatearray stammt von AMI, American Microsystems Inc. Neben dem Firmenlogo befindet sich die Zeichenfolge 9429035A, die sich aber nicht weiter zuordnen lässt. Die Buchstaben darunter könnten Maskenrevisionen darstellen.

 

DAC709 Logik Die Detail Eingangsbeschaltung

DAC709 Logik Die Detail Eingangsbeschaltung

Typisch für Gatearrays sind an den Bondpads viele Schaltungsteile vorgehalten, so dass sich beliebige Ein- und Ausgangskonfigurationen einstellen lassen.

Hier sind zwei Ausgänge zu sehen. Jeder Ausgang kontaktiert einen Highside- und einen Lowside-Transistor, die gemeinsam eine Push-Pull-Endstufe bilden. Das Ansteuersignal für den rechten Ausgang ist hier lila dargestellt und kommt von oben links ins Bild. Es kontaktiert die beiden schleifenförmigen Gateelektroden. Der eine MOSFET ist an das Massepotential angebunden (schwarz), der andere MOSFET kontaktiert das Versorgungspotential (rot).

 

DAC709 Logik Die Detail Eingangsbeschaltung

Bei Eingängen sind die Endstufentransistoren ebenfalls vorhanden, werden aber nicht kontaktiert. Stattdessen führen diverse Leitungen das Potential ins Innere des Gatearrays. Wenn es auch nicht direkt ersichtlich ist, so befinden sich auf der Strecke sicherlich noch Schutzstrukturen gegen ESD-Impulse, Über- und Unterspannungen. Meist können auch Pull-Up- oder Pull-Down-Widerstände angebunden werden.

 

DAC709 Logik Die Detail Teststrukturen

In der oberen rechten Ecke des Dies befindet sich eine Teststruktur, die überraschend ausführlich beschriftet ist.
Ein Bondpad trägt ein G und führt zu mehreren Strukturen, wo es der optischen Erscheinung nach eine Gateelektrode darstellt. VTN und VTP könnten entsprechend für "Voltage Threshold n-MOSFET" beziehungsweise "Voltage Threshold p-MOSFET" stehen, worüber sich die Eigenschaften der unterschiedlichen Transistoren bestimmen lassen. Das Bondpad PW zeigt keine offensichtliche Verbindung. Es könnte die ganze Fläche kontaktieren und damit auch das zweite Potential für die vier Testelemente darstellen. PW steht dann vermutlich für "Power". Die Bondpads PF und NF lassen sich nicht eindeutig zuordnen. Auch diese Potentiale sind mit MOSFET-ähnlichen Strukturen verbunden. Es könnte sich um Widerstandsmessstellen für n- und p-dotierte Bereiche ("n-field" und "p-field") handeln. Das würde aber noch nicht die Gateelektrode erklären.

 

 

DAC709 Die

Das zweite Die ist ungefähr 3775µm breit und 2925µm hoch. Es enthält die analogen Schaltungsteile, also den eigentlichen Digital-Analog-Wandler.

 

DAC709 Die resistor trimming

Auffällig sind vor allem die vielen, relativ großen, mit einem Laser abgeglichenen Widerstände. Viele Widerstände enthalten mehrere Einschnitte an verschiedenen Stellen. Abhängig von der Platzierung ist der Einfluss eines solchen Schnittes größer oder kleiner. Das bedeutet, dass mit den ersten Schnitten größere Anpassungen erfolgen und mit den letzten Schnitten eine gewisse Feineinstellung möglich ist.
Die Form der Schnitte erweckt den Eindruck, dass der Laser schrittweise gesteuert wurde, da sie aus einzelnen kreisrunden Löchern zu bestehen scheinen.

 

DAC709 Die Masken

Die Zeichenfolge CIC01101, die sich an der rechten unteren Kante des Dies befindet, könnte eine interne Bezeichnung sein.
Außerdem sind zehn Masken dargestellt, die den Buchstaben nach teilweise öfter als einmal überarbeitet wurden.

 

DAC709 IEEE schematic

Es existiert ein IEEE-Paper zum DAC709, das einen vereinfachten Schaltplan enthält und die Funktionsblöcke beschreibt ("A Complete High-Speed Voltage Output 16-Bit Monolithic DAC", Dezember 1983). Ganz links (dunkelgrün) befindet sich die Referenzspannungsquelle und die Referenzstromerzeugung. Die Referenzspannungsquelle besteht im Kern aus einer buried Z-Diode. Die Spannung der Z-Diode wird über eine Vierleiterkontaktierung abgegriffen, so dass der Arbeitsstrom von 1mA in Kombination mit den unvermeidlichen Widerständen in der direkten Umgebung (Rb) die Referenzspannung nicht verfälscht. Die Kompensation des Temperaturdrifts erfolgt über den Transistor Q24 und die umgebenden Widerstände, die abgeglichen werden.
Aus der Referenzspannung wird im Transistor Q21 ein Strom von 1mA erzeugt, der über den Operationsverstärker A1 (grau) und die 6,3kΩ-Widerstände (rosa) genutzt werden kann, um den Offset der Ausgangsspannung einzustellen. Die Referenzspannung wird außerdem zu den Stromsenken geführt (Q1-Q20).

Der eigentliche Digital-Analog-Wandler ist in mehrere Teile untergliedert. Jeder Teil ist darauf optimiert seinen Beitrag zum Ausgangsstromwert zu liefern. Die hochwertigsten Bits 1 bis 3 aktivieren über einen Decoder (rot) direkt sieben gleichartige Stromsenken (hellgrün), die direkt auf den Summenknoten des Ausgangsoperationsverstärkers A2 (grau) einwirken. Da die Emitterwiderstände der Transistoren Q1 bis Q7 viermal so groß sind wie der Widerstand in der 1mA-Stormsenke, stellt sich für jedes Bit ein Strom von 0,25mA ein. Damit die Transistoren mit gleichen Stromdichen belastet werden, sind die Transistoren Q1 bis Q7 nur ein Viertel so groß wie der Transistor Q21. Insgesamt stellt sich über die ersten vier Bits ein Strom zwischen 0mA und -1,75mA ein.
Oberhalb jeder Stromsenke befindet sich ein Umschalter (türkis), der zwischen dem Summenknoten des Ausgangsverstärkers A2 und einer alternativen Last (Q22) umschaltet.

Die Bits 4 bis 12 steuern Stromsenken (dunkelrot und lila), deren Ströme zuerst über einen R2R-Widerstandsteiler (dunkelblau, oben) heruntergeteilt werden, bevor sie den Ausgangsoperationsverstärker A2 (grau) erreichen. Durch diesen Aufbau benötigt man für jedes Bit nur eine Stromsenke und es können neun gleiche Stromsenken eingesetzt werden.
Um die elektrischen und die thermischen Verhältnisse im DAC möglichst konstant zu halten, ist für die Stromsenken 4 bis 7 (orange) ein zweiter R2R-Widerstandsteiler (dunkelblau, unten) integriert, auf den der Strom der inaktiven Stromsenken umgeleitet wird. Änderungen der Verlustleistung könnten zu Drifteffekten führen. Wechselnde Stromwerte können außerdem zu schwankenden Spannungsabfällen und damit auch zu Störungen führen. Die Ströme der Bits 8 bis 12 (lila) sind so klein, dass kein alternativer Widerstandsteiler notwendig ist.

Die niederwertigsten Bits 13 bis 16 (gelb) basieren auf einer einzelnen Stromsenke und besitzen keinen R2R-Widerstandsteiler. Laut dem IEEE-Artikel war die Einsparung von Die-Fläche der Grund für diesen Aufbau. Die gewünschte Abstufung der Ströme ergibt sich hier über unterschiedliche Transistorflächen. Die letzte 1/2-Abstufung des Bit 16 erfolgt über eine Aufdopplung des über der Stromsenke liegenden Umschalt-Transistors, der so die Hälfte des Stromes ableitet. Das niederwertigste Bit trägt nur noch 30nA zum Gesamtstrom bei.

Die Stromsenken setzen sich aus dem R_E-Widerständen R1 bis R17 in Kombination mit den Transistoren Q1 bis Q20 zusammen. Die Emitterwiderstände lassen sich abgleichen, so dass sich exakt die gewünschten Stromwerte ergeben.

 

DAC709 Die Funktionen

Die einzelnen Funktionsblöcke lassen sich relativ gut auf das Die übertragen. Die Referenzstromerzeugung befindet sich in der oberen rechten Ecke. Links daneben ist der Dekoder angeordnet. Die ersten 16 Stromsenken der Bits 1 bis 12 sind nebeneinander im oberen linken Bereich (hellgrün, orange und lila) platziert. Darüber befinden sich die Umschalter (türkis). Die Stromsenken der Bits 13 bis 16 (gelb) benötigen mittig weniger Fläche und teilen sich einen oben liegenden Emitterwiderstand. Der Hauptwiderstandsteiler (dunkelblau) ist relativ weit entfernt von den Stromsenken. Im IEEE-Artikel des DAC709 wird erwähnt, dass viel Augenmerk auf ein thermisches Gleichgewicht gelegt wurde. Es ist gut denkbar, dass aus diesem Grund die Stromsenken und der Widerstandsteiler in entgegengesetzten Ecken platziert wurden. In der rechten unteren Ecke ist der Opamp A1 angeordnet (grau), der mit den zwei 6,3kΩ-Widerständen (rosa) einen Offset auf das Ausgangssignal legen kann. Der Opamp A2 (grau) ist deutlich größer. Der IEEE-Artikel erklärt, dass mit doppelt und kreuzweise verschalteten Transistoren dafür gesorgt wurde, dass Temperaturgradienten im Die nur minimale Drifts erzeugen. Die zwei 10kΩ-Widerstände sind auf jeweils zwei Widerstände aufgeteilt.

 

DAC709 Die Referenzstromerzeugung

Auf der linken Seite ist hier die buried Z-Diode zu sehen, wie sie auch in vielen der besseren Referenzspannungsquellen eingesetzt wird. Rechts oberhalb befinden sich zwei abgeglichene Widerstände, die mit dem zugehörigen Transistor den Temperaturdrift kompensieren.

An der rechten Kante des Dies befindet sich ein Testpad über das die Referenzspannung während des Abgleichvorgangs überprüft werden kann.

 

DAC709 Die buried zener

Der gesamte Bereich der buried Z-Diode hat eine Kantenlänge von 156µm. Der aktive Bereich ist etwas kleiner. Das Quadrat führt den Arbeitsstrom zu, während der innere Kontakt die Spannung der Z-Diode quasi lastfrei abgreift.

 

DAC709 Die Opamp A1

Der Operationsverstärker A1 ist relativ einfach aufgebaut.
Rechts findet sich das ungenutzte Bondpad, an dem die Referenzspannung abgegriffen werden könnte.

 

DAC709 Die DAC current sink

Der auffälligste Teil der integrierten Schaltung sind die 16 Widerstände im oberen linken Bereich des Dies, die es ermöglichen den Stromwert von 19 Stromsenken einzustellen. Oberhalb der Widerstände befinden sich die Transistoren, die die Stromsenken darstellen und die Umschaltung zwischen der Summing Junction und der Ersatzlast realisieren.
Über die nach unten führenden Leitungen ist zu erkennen, dass die linken Stromsenken an einen Widerstandsteiler im unteren Bereich angeschlossen sind. Die mittigen Stromsenken besitzen zwei Leitungen, da deren Umschalter alternativ den Ersatz-Widerstandsteiler kontaktieren.

In der rechten oberen Ecke befindet sich der Dekoder für die ersten sieben Stromsenken.

 

DAC709 Die DAC R2R

Im unteren Bereich des Dies befindet sich der Widerstandsteiler, der über ein sehr großes Bondpad an das analoge Massepotential angeschlossen ist. In der linken oberen Ecke des Bilds ist der kleinere Ersatz-Widerstandsteiler zu erkennen.

 

DAC709 Die DAC current sink

Die Stromsenken der Bits 13 bis 16 benötigen weniger Fläche, da sie sich einen Emitterwiderstand teilen.

 

DAC709 Die Opamp A2

Unterhalb der Stromsenken 13 bis 16 und dem Ersatz-Widerstandsteiler befindet sich der Ausgangsoperationsverstärker A2. Rechts ist die symmetrische, aufgedoppelte Eingangssbeschaltung zu erkennen, die auch im IEEE-Artikel erwähnt wird. Der Aufbau soll garantieren, das Temperaturgradienten nicht die Ausgangsspannung beeinflussen. Links neben dem Burr-Brown-Symbol sind die symmetrischen Ausgangstransistoren zu erkennen.

Jeweils zwei parallel geschaltete, laserjustierte Widerstände bilden die beiden 10kΩ-Widerstände ab. Bemerkenswerterweise führen beide 10kΩ-Widerstände von der massiven Summing Junction direkt und exklusiv zu zwei Bondpads. Einer der 10kΩ-Widerstände sollte laut Datenblatt beim DAC707 und beim DAC709 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers A2 verbunden sein. Das ist hier nicht der Fall. Beim DAC708 ist der Operationsverstärker laut Datenblatt nicht vorhanden. Wahrscheinlicher ist allerdings, dass es sich bei allen DACs um das gleiche Die handelt und dann je nach Variante der Ausgang des Operationsverstärkers A2 außerhalb des Dies mit einem der 10kΩ-Widerstände verbunden wird oder nicht.

 

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