Datel ist eine 1970 gegründete, amerikanische Firma, die unter anderem Digital-Analog-Wandler herstellt. Der hier zu sehende DAC-HZ12BGC ist ein 12Bit-Wandler, der stark dem DAC80 ähnelt und immernoch produziert wird. Das Design scheint aber mittlerweile nicht nur optisch überarbeitet worden zu sein. Das aktuell Datenblatt beschreibt einen R2R-DAC, während in diesem Bauteil noch eine andere Technik zum Einsatz kam.
Das B hinter der Grundbezeichnung DAC-HZ12 steht für eine binäre Ansteuerung GC steht für den spezifizierten Betriebstemperaturbereich zwischen 0°C und 70°C. Laut dem aktuellen Datenblatt sollte es sich um eine Epoxidgehäuse handeln, was für das hier zu sehende Teil aber offensichtlich nicht gilt. Sowohl das Unterteil des Gehäuses als auch der Deckel scheinen aus einem Keramikmaterial zu bestehen.
Das Datenblatt gibt einen Nichtlinearität des Ausgang in Höhe von maximal
+/-0,5LSB an. Die differentielle Nichtlinearität kann bis zu +/-0,75LSB
betragen.
Der Verstärkungsfaktorfehler liegt bei +/-0,1%, der Offset bei
+/-0,1% der Vollaussteuerung.
Der Temperaturdrift des Nullpunkts liegt bei
+/-3ppm/°C der Vollaussteuerung.
Die Ausgangsspannung stellt
sich innerhalb von 3µs mit einer Signalanstiegszeit von +/-10V/µs ein.
Zur Verbindung von Gehäuse und Deckel wurde eine Art Kleber verwendet. Darin ist ein Gewebe enthalten. Mit einer nicht unbeträchtlichen Hitzezufuhr löst sich der Kleber und der Deckel kann abgenommen werden.
Das Datenblatt enthält ein Blockschaltbild, das stark an den
DAC80 erinnert.
Die Referenzspannung, mit der der
Digital-Analog-Converter arbeitet, muss von außen eingespeist werden. Ein
6,3kΩ-Widerstand ermöglicht es dabei einen Offset einzustellen. Den
Ausgangsstrom des Digital-Analog-Converters wandelt ein Operationsverstärker in
eine Spannung um. Dazu sind im Package zwei 5kΩ-Widerstände enthalten, über die
auch der Ausgangsspannungsbereich eingestellt werden kann. Der DAC-HZ12 bietet
wie der DAC80 eine 6,3V-Referenzspannungsquelle, die
allerdings zusätzlich noch gepuffert wird.
Das Pinning ist absolut gleich zum DAC80 gehalten. Vermutlich soll der DAC-HZ12 unter anderem als Alternativbauteil dienen.
Im Gehäuse befindet sich ein großer weißer
Keramikträger, der mehrere Halbleiter, Kondensatoren und Widerstandarrays
beherbergt.
Auf dem Keramikträger ist das Datel-Logo abgebildet. Drei Fadekreuze
erleichtern vermutlich das automatisierte Platzieren der einzelnen Bauteile
Auf dem Keramikträger scheinen manche Bondvorgänge beim ersten Versuch gescheitert zu sein. Ein Bonddraht ist knapp über dem Keramikträger abgerissen. Es könnte sein, dass dieses Bauteil nachgearbeitet werden musste und in dem Zug vielleicht sogar Dies ausgetauscht wurden. Zur damaligen Zeit war für diese hochpreisigen Komponenten eine Nacharbeit noch rentabel.
Nicht nur das Blockschaltbild, auch der innere Aufbau des DAC-HZ12 ist dem DAC80 sehr ähnlich. Ohne ins Detail zu gehen zeigt sich bereits, dass auch hier drei integrierte Schaltkreise den 12Bit breiten Datenbus entgegennehmen und stark mit einem Widerstandarray vernetzt sind. Am Ausgang befindet sich ein Die, höchstwahrscheinlich ein Operationsverstärker. Links des mittigen Digital-Analog-Converters befindet sich ein weiteres Die, das eine Referenzstromregelung darstellen könnte. Links unten ist die Referenzspannungsquelle zu erkennen.
Wie beim DAC80 wurde auch hier eine sternförmige Masseverteilung gewählt. Auffällig anders ist die Zuleitung des Massepotentials zu den obersten vier Bits des Datenbus. Im Gegensatz zu den niederwertigeren Bits sind an den Pins vier Bestückplätze vorgehalten und die Datenleitungen von Masseleitungen umgeben. Der Zweck dieses Vorhalts erschließt sich nicht. Es könnte sich um eine Abschirmung gegenüber dem darüber liegenden analogen Schaltungsteil handeln, das erklärt aber noch nicht die Masseleitungen zwischen den Datenleitungen.
Es zeigt sich, dass der DAC-HZ12 wie der DAC80 auf drei der Intersil Vierfach-Stromschalter ICL8018 basiert (1x1, 1x2, 1x3). Die Funktionsweise des ICL8018 ist im Rahmen der DAC80-Analyse genauer beschrieben.
Die ICL8018 könnten der Grund gewesen sein, warum der Baustein mittlerweile auf einen R2R-DAC umgebaut wurde. ICL8018 werden schon länger nicht mehr produziert.
Von unten werden den ICL8018 die grauen Datenleitungen zugeführt. Die Versorgung stellen das -15V- und das +15V-Potential dar. Im DAC80 musste über den "NC-Pin" 13 eine zusätzliche Versorgung zugeführt werden.
Die drei ICL8018 arbeiten mit den Widerständen im darüber liegenden
Widerstandarray 2.
Der 1x3-Stromschalter speist seinen Ausgangsstrom direkt in den Summenknoten des
Ausgangsverstärkers ein (gelb). Die Ausgangsströme der Stromschalter 1x2 und 1x1
duchlaufen zuerst noch das Widerstandarray.
Der 1x3-Stromschalter erhält zwei
zusätzliche Potentiale, mit Hilfe derer der Referenzstrom eingestellt wird.
Das Widerstandarray enthält extrem viele Widerstände.
Die Widerstände und auch die Bondpads des Widerstandarrays sind nummeriert.
Die einzelnen Widerstandelemente bestehen aus einem dickeren und einem dünneren Teil. Beide Bereiche wurden mit einem Laser abgeglichen. Im dickeren Bereich befindet sich ein Fenster, von dem aus die Widerstandfläche eingeschnitten wird. Der Schnitt im dünneren Bereich bewirkt eine große Widerstandänderung und ermöglicht so einen Grobabgleich, während über den Schnitt im dickeren Bereich ein Feinabgleich erfolgt.
Alle Widerstände des Stromschalters 1x3 sind aus gleichen Elementen aufgebaut. Der Widerstand, über den der Referenzstrom erzeugt wird, besteht aus vier Elementen, die in Serie geschaltet sind (grün). Der Widerstand ganz rechts besteht ebenfalls aus vier Elementen in der selben Verschaltung, wodurch sich in diesem Zweig der gleiche Strom einstellt. Der links daneben liegende Widerstand besteht aus zwei seriell geschaltete Elemente, wodurch sich darin der halbe Referenzstrom einstellt. Es folgt der Pfad mit einem Viertel des Referenzstroms, der ein einzelnes Widerstandelement enthält. Der Zweig, der ein Achtel des Referenzstroms generiert, enthält zwei Widerstandelemente, die parallel geschaltet wurden.
Der Stromschalter 1x1 trägt die kleinsten Stromwerte zum Gesamtstrom bei. Da sich dessen Toleranzen am wenigsten bemerkbar machen, sind die zugehörigen Widerstände nicht nur aus gleichen Elementen aufgebaut und etwas gedrängter positioniert.
Im oberen Bereich des Widerstandarrays befinden sich zwei 1/16-Stromteiler. Der Stromwert des Stromschalters 1x1 wird dort um den Faktor 1/16 reduziert und zum Stromwert des Stromschalter 1x2 addiert. Die Zwischensumme wird noch einmal um einen Faktor 1/16 reduziert und in den Summenknoten des Ausgangsverstärker eingespeist.
Die Ausgangsspannung des DAC-HZ12 wird vom Operationsverstärker 9 generiert. Dazu greift der Operationsverstärker auf drei Widerstände des Widerstandarrays 2 zu. Die zwei 5kΩ-Widerstände, die für die Einstellung des Ausgangsspannungsbereichs genutzt werden können, überbrücken zwei Kondensatoren, was das Verhalten bei hohen Frequenzen verbessert.
Der Operationsverstärker hat etwas unter der Hitze gelitten. Eine Hersteller- oder Typbezeichnung lässt sich nicht ausmachen. Es handelt sich auf jeden Fall um einen Operationsverstärker mit drei zusätzlichen Bondpads, die einen Abgleich des Offsets und eine Frequenzkompensation ermöglichen würden.
Im rechten Rand des Widerstandarrays 2 sind die beiden 5kΩ-Widerstände platziert. Auch diese Widerstände sind abgeglichen. Zusätzlich wurden im oberen Bereich zwei Trennstellen unterbrochen ("C" und "D"). Bleiben diese Trennstellen intakt, so reduzieren sie die Widerstände für die BCD-Variante auf 4kΩ.
Die Referenzspannungserzeugung im Stomschalter 1x3 steuern der Operationsverstärker 6, die Transistoren 7 und 8, Teile der beiden Widerstandarrays und zwei Kondensatoren.
Für die Referenzstromregelung kam der gleiche Operationsverstärker zum Einsatz wie im Ausgangsverstärker.
Das Widerstandarray 3 besteht aus drei Blöcken, die wiederum eine Reihenschaltung von mehreren Widerständen enthalten. Die Widerstände rechts des Datel-Logos gehören zur Referenzstromregelung.
Im rechten Bereich dient das Widerstandarray zusätzlich zur Übertragung des GND-Potentials von einer zur anderen Seite.
Der Aufbau der Transistoren erscheint etwas ungewöhnlich. Es handelt sich höchstwahrscheinlich um Bipolartransistoren mit mehreren Emittern (grün).
Der Schaltungsteil der Referenzstromregelung nutzt einige Widerstände des
Widerstandarrays 2.
Außerdem definiert die Referenzstromregelung das
Bezugspotential der Widerstände der ICL8018-Stromschalter.
Die Referenzstromregelung des DAC-HZ12 ähnelt der im DAC80. Hier agiert der Operationsverstärker allerdings als einfacher invertierender Verstärker im Hintergrund, der nur den Transistor Q1 aussteuert. Der Transistor Q1 definiert dann das Bezugspotential der Stromsenken und steuert über den Transistor Q2 die Transistoren der ICL8018.
Auf Grund der indirekteren Steuerung der Stromsenken benötigte der Regelkreis
eine weitere Kompensation in Form des Kondensators C2. Mit dem Kondensator C1
wurde dagegen die Schaltgeschwindigkeit des Transistors Q1 erhöht.
Der
Widerstand R5 sorgt für einen gewissen Stromfluss in Richtung des Transistors.
Diese Stromrichtung wäre ansonsten komplett blockiert. Vermutlich wirkt sich
diese Maßnahme positiv auf das Verhalten des Operationsverstärkers aus.
Die Z-Diode 4 generiert die grundlegende Referenzspannung, die der Operationsverstärker 5 mit einem Teil des Widerstandarrays 3 stabilisiert.
Der optischen Erscheinung nach fand am Operationsverstärkers 5 eine Nacharbeit statt. Die Kratzer auf der Oberfläche des Keramikträgers lassen vermuten, dass sich dort vorher ein anderes Die befunden hat, das ausgetauscht werden musste.
Auch der Operationsverstärker 5 trägt keine Hersteller- oder Typbezeichnung. Das selbe Die findet sich allerdings im LM741 von National Semiconductor.
Die Z-Diode besitzt eine MESA-Struktur, wie auch die Z-Diode im DAC80. Hier erfolgt die zweite Kontaktierung allerdings über das Substrat des Dies und nicht über einen zweiten Kontakt auf der Oberseite.
Die Referenzspannungserzeugung ist etwas komplexer als im Datenblatt dargestellt. Die Z-Diode versorgt sich direkt über den Referenzspannungsausgang. Der Widerstandteiler R2/R3 definiert die Ausgangsspannung. Interessanterweise wurden beide Widerstände abgeglichen. Für die Einstellung des Teilerfaktors wäre das nicht notwendig gewesen. So bleibt als Erklärung eigentlich nur noch ein Abgleich des Operationsverstärker-Arbeitspunktes. Der Operationsverstärker stellt in dieser Verschaltung eine Stromquelle dar, die den Arbeitspunkt und damit die Referenzspannung der Z-Diode einregelt. Der Widerstand R1 erweitert und stabilisiert dabei den Arbeitsbereich.
