Richi´s Lab

Burr-Brown DAC80

DAC80

DAC80

DAC80

Der Burr-Brown DAC80 ist ein 12Bit-Digital-Analog-Wandler. Das noch verfügbare Datenblatt beschreibt zwei Gehäusevarianten: ein Plastic-DIP und ein Ceramic-DIP in der gängigen Bauform. Bei dem hier vorliegenden, spezielleren Keramikgehäuse scheint es sich um ein früheres Modell zu handeln. Auf der Rückseite zeigt sich, dass es 1980 in den USA produziert wurde.

Der DAC80 besitzt einen 12Bit-Datenbus, der laut Datenblatt mit TTL, LSTTL, 4000B und 54/74HC CMOS kompatibel ist.
Die DAC80 mit der Endung V besitzen einen integrierten Operationsverstärker und bieten damit einen Spannungsausgang. Über den zusätzlichen Index BI konnten auch Teile bezogen werden, die einen Burn-In-Test durchlaufen hatten.
Das Datenblatt gibt an, dass der Ausgang mit einer Signalanstiegszeit von mindestens 10V/µs in 1µs den gewünschten Wert bis auf 1LSB genau einstellt. Nach maximal 4µs wird eine Genauigkeit von +/-0,01% der Vollaussteuerung garantiert.
Die integrierte buried Z-Diode gibt eine Spannung zwischen 6,23V und 6,37V aus. Der Temperaturdrift bewegt sich zwischen typisch +/-10ppm/°C und maximal +/-20ppm/°C.
Die Verlustleistung des DACs kann bis zu 480mW betragen.

 

DAC80 Schaltplan

Das Blockschaltbild im Datenblatt zeigt die Funktionsblöcke des DAC80, darunter ein Widerstandsnetzwerk mit speziellen Stromschaltern, ein Block zur Einstellung der Verstärkung, eine buried Z-Diode, ein Operationsverstärker und einige zusätzlichen Widerstände.

 

DAC80 integriert

Das Datenblatt spricht von einem monolithischen Digital-Analog-Wandler und beinhaltet auch ein Abbild des Dies.

 

DAC80 Aufbau

Unter dem Keramikdeckel zeigt sich, dass der vorliegende DAC80 aus einzelnen Dies aufgebaut wurde. Diese Aufbautechnik hat den Vorteil, dass bereits vorhandene integrierte Schaltungen genutzt werden können und außerdem nicht ein Herstellungsprozess die speziellen Anforderungen aller einzelnen Schaltungsblöcke erfüllen muss. Wahrscheinlich erfolgte die Umstellung auf ein vollintegriertes Die erst später.

 

DAC80 Aufbau

Die Pins an der einen Seite des DAC80 stellen die 12Bit breite, digitale Schnittstelle dar. Auf der anderen Seite befinden sich die Stromversorgungen und die analogen Potentiale. Das Massepotential wird großflächig sternförmig ins Innere geführt.
Der Pin NC wäre laut Datenblatt nicht zu beschalten. Es zeigt sich allerdings, dass dieser Pin die drei Schaltkreise 1x1, 1x2 und 1x3 versorgt. Höchstwahrscheinlich gilt das Datenblatt nur für die aktuellere Generation des DAC80, die diese Versorgung nicht mehr benötigt.

 

 

 

 

DAC80 Aufbau Detail

Die drei Schaltungsblöcke 1x1, 1x2 und 1x3 basieren alle auf dem gleichen Die. Bei 1x3 wurden allerdings am linken Rand zwei Bondpads mehr kontaktiert.

 

DAC80 ICL8018 Die

DAC80 ICL8018 Die

Die Beschriftung der Dies 1x1, 1x2 und 1x3 verrät, dass es sich um den ICL8018 von Intersil handelt. Der ICL8018 ist ein spezieller Vierfach-Stromschalter, der für Digital-Analog-Konverter mit einer Auflösung von bis zu 12Bit optimiert ist. Die Basis-Emitter-Spannungen der enthaltenen Stromschalter sind dazu auf 0,01% genau spezifiziert. Parallel wurden von Intersil auch die weniger gut ausbalancierten ICL8019 (0,1%) und ICL8020 (1%) vertrieben.

 

DAC80 ICL8018 Schaltplanausschnitt

Das Datenblatt enthält mehrere Beispielschaltungen, die die Funktion des ICL8018 erklären. Die Transistoren Q7, Q8, Q9 und Q10 stellen die Kernkomponenten des Bausteins dar. Mit der richtigen Ansteuerung und passend gewählten Widerständen an den Emittern stellen diese Transistoren einen auf das binäre Zählsystem abgestimmten Stromwert am Ausgang 8 ein (1/8, 1/4, 1/2, 1). Damit sich die Transistoren trotz unterschiedlicher Ströme möglichst gleich verhalten sind sie unterschiedlich groß aufgebaut. Das führt dazu, dass die Stromdichten gleich bleiben.

Die Aussteuerung der vier Transistoren erfolgt über eine externe Beschaltung, meist in Kombination mit dem Transistor Q6. In einer der einfachsten Umsetzungen wird die interne Stromquelle verwendet und der Basisstrom aller Stromschalter über eine externe Stromsenke eingestellt.
Die oben dargestellte Schaltung verhält sich stabiler. Dort sorgt ein Operationsverstärker (ICL8008) dafür, dass aus einer Referenzspannung über den oberen Rs-Widerstand immer der gleiche Strom fließt. Dieser Stromfluss ist sichergestellt, da der Operationsverstärker die Spannung an seinen Eingängen auf 0V einregelt. Nachdem über den unteren Rs-Widerstand im normalen Betrieb kein Strom fließt und damit auch keine Spannung abfällt, muss durch den oberen Rs-Widerstand der Strom Vref/Rs fließen. Der Ausgang des Operationsverstärkers stellt den Strom durch die Basis des Transistors Q6 entsprechend ein. Dabei werden parallel auch die anderen Transistoren entsprechend ausgesteuert. Der Vorteil der Schaltung ist, dass der Stromfluss nicht von der temperaturabhängigen Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q6 abhängt. Das Datenblatt gibt an, dass so ein Temperaturdrift von gerade einmal 2ppm/°C möglich ist.
Der untere Rs-Widerstand kompensiert die minimalen Eingangsströme des Operationsverstärkers. Diese Biasströme sind temperaturabhängig aber üblicherweise gleich groß. Befinden sich an beiden Eingängen die gleichen Widerstandswerte, so stellen sich an den Eingängen trotz dieser Biasströme die gleichen Potentiale ein. Die Diode 1N914 sorgt dafür, dass bei einem Fehlen des negativen Versorgungspotentials die Transistoren nicht in Sättigung gehen und es zu Latch-Up-Effekten kommt.

Das Aktivieren der gewünschten Stromschalter-Transistoren erfolgt über die darüber angeordneten Schaltungsteile. Liegt an einem Eingang ein Low-Pegel an, so überträgt sich dieser über die zugehörige Diode und sperrt den Steuertransistor, der damit den darunter liegenden Stromschalter-Transistor freigibt. Liegt am Eingang ein High-Pegel an oder ist der Eingang offen, so leitet der Steuertransistor und es fließt ein Strom zum Emitter des Stromschalter-Transistors. Das Emitterpotential heb sich an und der Stromschalter-Transistor sperrt. Die Z-Diode sorgt dafür, dass das Potential am Emitter nicht so stark ansteigt, dass die Basis-Emitter-Strecke beschädigt wird.

 

DAC80 ICL8018 Die Markierungen

Der Aufbau des ICL8018 lässt sich gut auf das Die übertragen. Deutlich zu erkennen sind die Größenverhältnisse der Transistoren Q7, Q8, Q9, Q10 (1:2:4:8).

 

DAC80 ICL8018 Schaltplanausschnitt

Das Datenblatt des ICL8018 zeigt auch wie man höhere Auflösungen erreicht. Bis zu drei ICL8018 können mit dem selben Referenzstrom und den gleichen Widerstandarrays arbeiten. Nur für den Referenzstrom ist ein zusätzlicher Widerstand notwendig (der in diesem Blockschaltbild fälschlicherweise fehlt). Die Ausgangsströme des zweiten und des dritten ICL8018 werden dann noch so herunter geteilt, dass sie den zugeordneten, niederwertigeren Bits entsprechen. Da mit der Teilung auch der Fehler reduziert wird, kann an zweiter Stelle der weniger genau spezifizierte ICL8019 und an dritter Stelle sogar der ICL8020 eingesetzt werden.

 

DAC80 Widerstandarray

DAC80 Widerstandarray

Das Widerstandarray 2 enthält die zwölf Widerstände für die zwölf Stromsenken und einen Widerstand für die Referenzstromerzeugung. Dem Logo nach zu urteilen hat Burr-Brown das Widerstandarray selbst hergestellt. Die einzelnen Widerstände wurden mit einem Laser abgeglichen. Teilweise erfolgte die Justage über das Durchtrennen von parallelen Widerständen, teilweise wurden größere Widerstandsflächen angeschnitten.
Das Bezugspotential trifft von unten ein, verläuft schräg über das Die und kontaktiert alle Widerstände.

 

 

 

 

 

DAC80 Aufbau Detail

DAC80 Schaltung

Die Referenzstromerzeugung erfolgt ähnlich wie im obigen Schaltplan des Datenblatts dargestellt. Hier regelt der Operationsverstärker im Block 4 allerdings nicht direkt den Basisstrom der Stromschalter (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5), sondern das Bezugspotential des Widerstandarrays 2 (R3, R4, R5, R6, R7). Den Basisstrom regelt der Transistor Q6, den wiederum der Operationsverstärker über einen Spannungsteiler steuert. Versorgt wird die Referenzstromerzeugung aus dem Referenzpotential.
Die spezielle Schaltung hat den großen Vorteil, dass sie nicht direkt von der Qualität der negativen Versorgungsspannung abhängig ist. Alle relevanten Potentiale beziehen sich entweder auf das Potential der Referenzspannung oder das Massepotential. Der Operationsverstärker und der Transistor Q6 entkoppeln den neuralgischen Schaltungsteil vom negativen Versorgungspotential.

 

DAC80 OP-02 OP-19 Die

Der Operationsverstärker stammt von PMI. Das entsprechende Logo in der linken oberen Ecke wurde beim Öffnen des Gehäuses leicht beschädigt. Das Design stammt aus dem Jahr 1977. Die Zeichenfolgen 6A1 und 1401T geben keinen direkten Hinweis auf den eingesetzten Typ.

 

DAC80 OP-02 OP-19 Die

Im PMI-Produktkatalog "1982 Linear Integrated Circuits" findet sich die Abbildung eines Dies, das sehr gut zum vorliegenden Design passt. Es handelt sich dabei um die Standard-Operationsverstärker OP-02/OP-19. Der OP-19 bietet im Vergleich zum OP-02 eine etwas höhere maximale Signalanstiegszeit. Da in der Referenzstromerzeugung keine schnellen Signaländerungen auftreten, wird es sich höchstwahrscheinlich um einen OP-02 handeln.

 

DAC80 OP-02 OP-19 Schaltplan

Das Datenblatt enthält einen relativ ausführlichen Schaltplan. Wichtig für den Digital-Analog-Wandler dürfte vor allem die thermische Stabilität des Operationsverstärkers sein. Um Temperaturdrifts zu reduzieren wurde am Eingang ein sogenanntes "thermally cross-coupled quad" integriert. Entstehen auf dem Die Temperaturgradienten, so sorgen die über Kreuz platzierten Transistoren dafür, dass im nicht invertierenden und im invertierenden Zweig des Operationsverstärkers relativ gleiche Drifteffekte auftreten und diese sich so wieder kompensieren.

 

DAC80 OP-02 OP-19 Die Pins

Die Funktionen der einzelnen Bondpads lassen sich relativ einfach auf das Die übertragen. Ebenso sind einige Funktionsblöcke sofort erkennbar. Darunter die große Push-Pull-Endstufe an der oberen Kante des Dies, der große Rückkopplungskondensator und der großteils differentielle Aufbau.

 

DAC80 Transistor Die

Der Block 5 enthält einen Transistor. Ganz oben ist der grünliche Emitter zu erkennen. Der Emitter befindet sich auf einer dazu invers dortierten lila Fläche, die die Basis des Transistors darstellt. Den Kollektor bildet die darunter liegende, grüne Schicht aus, die an zwei Ecken der Rahmenstruktur zu erkennen ist. Die Kontaktierung des Kollektors erfolgt von unten. Auf zwei Ecken des Rahmens sind aber, der silbernen Farbe nach zu urteilen, Bondflächen vorgehalten, um den Kollektor auch von oben kontaktieren zu können.

 

DAC80 Kondensator

Obwohl der Transistor leitfähig mit der darunter liegenden Leitung verbunden werden konnte, wählte man beim SMD-Kondensator dennoch Bonddrähte zur Kontaktierung.

 

 

 

 

DAC80 Aufbau Detail

Der Stromausgang des mit 1x3 bezeichneten ICL8018 ist direkt mit der sogennanten Summing Junction (hellgrün) verbunden. Diese Summing Junction führt den Stromwert, der sich aus dem 12Bit Digitalwert ergibt. Die Stromausgänge der zwei ICL8018 1x1 und 1x2 müssen wie weiter oben beschrieben erst noch heruntergeteilt werden und sind daher über die zwei dunkelgrünen Leiterbahnen mit dem Widerstandarray 3 verbunden.
Das Widerstandarray 3 ist über vier Bonddrähte mit zwei Zuleitungen an den Massesternpunkt angebunden. Eine niederohmige Masseanbindung ist an dieser Stelle wichtig, da darüber wechselnde Ströme abfließen und sich Potentialschwankungen direkt auf das Ausgangssignal auswirken.

 

DAC80 Widerstandarray

DAC80 Widerstandarray

DAC80 Widerstandarray markiert

Auf dem Widerstandarray 3 befinden sich zwei Funktionsblöcke. Im linken Drittel führt ein Widerstand das Referenzpotential und das Offset-Potential zusammen, bevor es zur Referenzstromerzeugung weitergeleitet wird.

Im rechten Bereich erfolgt das Herunterteilen der zwei Referenzströme, die die unteren 8Bit des Analog-Digital-Wandlers darstellen. Die Ströme der ICL8018 1x1 und 1x2 werden zu einem Großteil über vier niederohmige Widerstände und vier Bonddrähte zum Massepotential abgeleitet. Vom ICL8018 1x1 führt ein Widerstand, der mit den Widerständen nach Masse einen Teilerfaktor von 1/16 darstellt, zum Potential des Funktionsblocks 1x2. Von dort führt ein weiterer 1/16-Widerstand zur Summing Junction. Für den Funktionsblock 1x1 ergibt sich so ein Teilerfaktor von 1/256 und der resultierende Stromwert entspricht den untersten 4Bit der digitalen Schnittstelle.
Über die beiden Range-Anschlüsse kann die Summing Junction so beeinflusst werden, dass sich der gewünschte Wertebereich ergibt.

 

DAC80 Widerstandarray Lasertrimming

Wie beim Widerstandarray 2 erfolgte auch hier ein Laserabgleich der Widerstände.

 

 

 

 

DAC80 Aufbau Detail

Der Block 7 erzeugt aus dem generierten Stromwert eine Spannung, die das Ausgangssignal darstellt. Die Funktion des Blocks 8 am Ausgang erschließt sich nicht ohne Weiteres.

 

DAC80 OP-01 Die

Der Block 7 enthält einen Operationsverstärker, der dem OP-02 im Block 4 sehr ähnlich ist. Der grundsätzlich Aufbau ist gleich, die Metalllage unterscheidet sich aber.

 

DAC80 OP-01 Die

 Auch hier liefert der Produktkatalog "1982 Linear Integrated Circuits" ein übereinstimmendes Die-Abbild. Es handelt sich demnach um den OP-01. Dieser Operationsverstärker ist mit einer Anstiegszeit von 18V/µs relativ schnell. Das Ausgangssignal stellt sich innerhalb von 1µs auf 0,1% genau ein.

 

DAC80 OP-01 Blockschaltbild

Die Schaltungen des OP-02 und des OP-01 ähneln sich sehr stark. Es ändert sich nur die Anzahl und die Verschaltung der Kondensatoren, was letztlich zur höheren Bandbreite des OP-01 führt.
Beim OP-01 fehlt die negative Rückkopplung von den Endstufentreibertransistoren zum invertierenden Ausgang des Differenzverstärker-Frontends. Der Kondensator C1 befindet sich beim OP-01 zwischen dem invertierenden Eingang und dem invertierenden Ausgang des Differenzverstärker-Frontends. So verbaut wirkt der Kondensator als Vorsteuerung und erhöht damit die Bandbreite. Der Kondensator C2 bildet eine negative Rückkopplung, die hier allerdings direkt an den invertierenden Eingang angebunden ist.

Der spezielle Aufbau des OP-01 führt dazu, dass sich die Eingänge unsymmetrisch verhalten, was für den Anwendungsfall im Digital-Analog-Wandler aber nicht relevant ist.

 

DAC80 OP-01 Die Markierungen

Die Umsetzung der zwei Operationsverstärkervarianten über eine kleine Änderung der Metalllage ist sehr geschickt. An der linken Kante des Dies befinden sich zwei Kondensatoren. Im OP-02 ist der linke Kondensator kurzgeschlossen und damit inaktiv. Die Kapazität wirkt dort zwischen einem Endstufentreiber (rosa) und dem invertierenden Ausgang des Operationsverstärker-Frontends (gelb). Im OP-01 ist der Kurzschluss nicht mehr vorhanden und es bilden sich zwei Kondensatoren aus. Eine Elektrode ist den zwei Kondensatoren gemein und wird beim OP-01 mit dem invertierenden Eingang verbunden. Die anderen beiden Elektroden führen als Vorsteuerung zur Endstufentreiberstufe und als Gegenkopplung zum invertierenden Ausgang des Operationsverstärker-Frontends.

Eine leicht angpasste Anbindung des blauen Potentials führt außerdem zu einem reduzierten Widerstand R6. Dieser Widerstand ist sehr lang ausgeführt, überbrückt wird aber nur ein sehr kleiner Teil. Dieser kleine Teil weist allerdings einen hohen Widerstand auf, da das Material von einem invers dotierten Material überlagert ist. Die verschiedenen Widerstandstypen sind hier zu sehen. Der reduzierte Widerstand R6 erhöht die Arbeitsströme, was die Grenzfrequenz weiter erhöht.

 

DAC80 Diode Die

Der Block 8 zeigt keine spezielle Struktur. Da sich das Element zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers befindet, scheint es unwahrscheinlich, dass es den Ausgang schützt. Mit dem Hintergrund, dass der eingesetzte Operationsverstärker ein sehr schneller Typ ist, könnte es sich um eine kleine Kapazität handeln, die Schwingungen unterdrücken soll. Eine Vermessung der Eigenschaften bestätigt die Vermutung. Eine Fluss- oder Sperrspannung lässt sich nicht bestimmen. Die Kapazitätsmessung liefert einen Wert im mittleren zweistelligen pF-Bereich.

 

 

 

 

DAC80 Aufbau Detail

Die Z-Diode ist auf einer Seite mit dem Massepotential verbunden. Die Versorgung bildet nicht, wie im Datenblatt dargestellt, eine Stromquelle sondern ein einfacher Widerstand zur +Vcc-Versorgung. Das führt dazu, dass sich Schwankungen der Versorgungsspannung relativ stark auf den Strom und damit auf die Referenzspannung auswirken. Vorteilhaft ist hier, dass das Potential +Vcc nur analoge Schaltungsteile versorgt und man so zumindest keine Rückkopplung aus den digitalen Blöcken befürchten muss.

Das Referenzpotential ist bis zu den Anschlusspins hin mit dem +Vcc-Potential gegen das Gain-Potential abgeschirmt. Die Notwendigkeit dieser Schirmung ist fraglich. Kapazitive Einkopplungen sind an dieser Stelle nicht zu befürchten und als Guard-Potential gegen Leckströme eignet sich +Vcc nicht.

 

DAC80 buried zener Die

Laut Datenblatt handelt es sich um eine buried Z-Diode. Optisch unterscheidet sich die Struktur stark von den buried Z-Dioden in den Referenzspannungsquellen.

 

DAC80 buried zener Detail

In der unteren linken Ecke scheint die Struktur nicht ganz sauber gefertigt worden zu sein. Zur Funktion trägt diese Stelle aber höchstwahrscheinlich nicht bei.

 

DAC80 buried zener Die Aufbau

DAC80 buried zener Die Aufbau

Das Die besitzt eine auffällige Erhöhung, die durch die vertiefte Integration der Z-Diode verursacht sein könnte.

 

 

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