Richi´s Lab

Burr-Brown DAC800

DAC800

Der DAC800 ist ein von Burr-Brown entwickelter 12Bit-Digital-Analog-Wandler. Die Endung V steht für die Variante mit Spannungsausgang. Die Variante mit Stromausgang trägt die Endung I. Die Produktion erfolgte dem Datecode nach im Jahr 1983.

Der DAC800 stellt eine Weiterentwicklung des DAC80 dar. Im Datenblatt von 1987 wird der DAC800 als "third-generation monolithic Integrated Circuit" beschrieben. Wie sich gleich noch zeigen wird, ist der Begriff "monolithic" zumindest für dieses Modell nicht ganz korrekt. Das "Burr-Brown Product Data Book" von 1982 gibt für den DAC800 einen Stückpreis von 29,95$ an, während für den DAC80 36,50$ veranschlagt werden. Der höhere Integrationsgrad brachte eine merkliche Kostenreduktion mit sich.
Die Tabelle, die die Preise enthält, führt auch Kernspezifikationen der verfügbaren Digital-Analog-Wandler auf. Dort scheinen der DAC80 und der DAC800 absolut gleichwertig. Vergleicht man allerdings die Datenblätter, so zeigt sich, dass der DAC800 doch etwas besser spezifiziert werden konnte. Das DAC800-Datenblatt bewirbt explizit die kürzere Einschwingzeit, die mit typischerweise 2,5µs halbiert wurde. Für das Modell mit Sromausgang haben sich die Zeiten nicht geändert. Außerdem wäre die Zuverlässigkeit auf Grund der stärkeren Integration höher. Vergleicht man die Datenblätter weiter, so finden sich noch andere Unterschiede. Der Einfluss der Versorgungsspannungen auf das Ausgangssignal konnte um einen Faktor 10 reduziert werden. Der typische Temperaturdrift der internen Referenz hat sich zwar vom DAC80 zum DAC800 nicht geändert, der worst-case Temperaturdrift hat sich aber von +/-20ppm/°C auf +/-30ppm/°C verschlechtert.

 

DAC800 Schaltplan

Das Blockschaltbild im Datenblatt zeigt einen klassischen Aufbau, der dem DAC80 sehr ähnlich ist. Die Referenzspannung generiert laut Datenblatt eine integrierte buried Z-Diode. Die Digital-Analog-Wandlung erfolgt in einem Widerstandsnetzwerk. Ein Operationsverstärker erzeugt die Ausgangsspannung, deren Offset und Ausgangsspannungsbereich sich über die Verschaltung integrierter Widerstände einstellen lässt.

 

DAC800 Aufbau

DAC800 Aufbau

Der DAC800 mit Spannungsausgang beinhaltet zwei Dies, den eigentlichen Digial-Analog-Wandler und den Ausgangs-Operationsverstärker.

Während die Verbindungen nach außen mit Golddrähten und dem damit üblichen Ball-Wedge-Bondverfahren erfolgte, befinden sich zwischen den Dies Aluminiumdrähte und es kam das dafür üblichere Wedge-Wedge-Bonden zum Einsatz.

 

DAC800 Die Aufbau

DAC800 Die Aufbau

Beide Dies sind jeweils auf einem zusätzlichen Die platziert. Im Fall des Digital-Analog-Wandlers reduziert die Maßnahme störende Leckströme durch das Substrat. Beim Operationsverstärker wäre die zusätzliche Isolation eigentlich nicht notwendig. Vermutlich wollte man lediglich gleiche Höhenverhältnisse einstellen. Befinden sich die Dies auf gleicher Höhe, so erleichtert das den Bondvorgang.

 

DAC800 Die Opamp

Der Operationsverstärker ist ein OP01 wie er auch im DAC80 eingesetzt wurde. Es handelt sich allerdings um die neuere Revision 1401S von 1980. Wie bei der REF01-Referenzspannungsquelle schön zu sehen war, kennzeichnet PMI neure Revisionen, indem der Buchstabe am Ende der Typbezeichnung von Z nach A heruntergezählt wird. Ein funktionaler Unterschied ist nicht erkennbar. Es könnte sein, dass die Revision nur auf Grund von Änderungen in der Fertigung angepasst wurde.

Die kreuzweise Verschaltung der Bauteile in der Eingangsverstärkerstufe sorgt für einen niedrigen Temperaturdrift (siehe OP-01).

 

DAC800 Die

Das Die des Digital-Analog-Wandlers ist 2,74mm x 2,34mm groß. Die mit einem Laser abgeglichenen Widerstände nehmen einen Großteil der Fläche ein.

An der oberen Kante sind die Zeichen CIC00851 abgebildet, eine Burr-Brown typische interne Projektbezeichnung. An der rechten Kante sind die Revisionen von zehn Masken zu erkennen. Die Metalllage trägt einen Index L, was auf eine recht enorme Anzahl von elf Änderungen hinweist.

 

DAC800 Die Markierung

Auf dem Die befinden sich drei in keinen Schaltungsteil eingebundene, quadratische Widerstandflächen. Auf einem der Quadrate hat der Abgleichprozess zwei Punkte hinterlassen. Entweder wurde über diese Quadrate die Fertigungsqualität dokumentiert oder die Markierung bietet eine Rückverfolgbarkeit des Abgleichprozesses.

 

DAC800 Die Funktionsblöcke

Beim DAC80 nutzen die Widerstände der Stromsenken ein aus dem Referenzpotential generiertes Bezugspotential. Beim DAC800 dient dagegen das negative Versorgungspotential als Bezugspotential. Das vereinfacht die Konstruktion, erhöht allerdings die Empfindlichkeit gegenüber Versorgungsspannungsstörungen. Vielleicht beinhaltet das Die eine zusätzliche, nicht offensichtliche Kompensation solcher Schwankungen.

Im DAC80, im AD565, im DAC709 und in vielen anderen Digital-Analog-Wandlern wird aus der Referenzspannung ein Referenzstrom erzeugt. Dabei kommt eine Stromsenke zum Einsatz die der MSB-Stromsenke sehr ähnlich ist. Das sorgt dafür, dass sich Drifts weniger stark auswirken. Wie innerhalb des DAC80 beschrieben, wird der Referenzstrom unabhängig von Drifts der beteiligten Transistoren auf einen konstanten Wert geregelt.
Im DAC800 sind lediglich für die zwölf Stromsenken große Widerstandflächen integriert. Neben dem Widerstand des Bit 1 (MSB) befindet sich statt eines Referenzstromzweig eine Endstufe. Diese Endstufe kontrolliert das Basispotential aller Stromsenken-Transistoren. Anscheinend hat Burr-Brown eine alternative, ausreichend genaue Steuerung der Stromsenken entwickelt.

Die Ströme der ersten drei Bits werden direkt in den Summenknoten eingespeist. Sie müssen entsprechend unterschiedliche Ströme darstellen. Passend dazu besitzt das Bit 1 zwei parallel geschaltete Widerstände, während das Bit 2 nur einen Widerstand nutzt und dem Bit3 zwei seriell geschaltete Widerstandelemente zugeordnet wurden. Die über den Widerständen platzierten Transistoren sind unterschiedlich groß, so dass sich gleiche Stromdichten und damit ein möglichst gleiches Verhalten einstellt.
Die Ströme der Bits 1 und 2 durchlaufen Umschaltblöcke, die den Strom entweder zum Summenknoten leiten oder zum Massepotential hin neutralisieren. Das Bit 3 besitzt zwar auf der Höhe der Umschalter ebenfalls einen Transistor, dieser realisiert aber keine Ab- oder Umschaltung. Das Deaktivieren des Bit 3 erfolgt über die Eingangsbeschaltung am digitalen Eingang. Das Steuersignal führt direkt zum Kollektor des Stromsenkentransistors. Anscheinend legt die Eingangsbeschaltung ein ausreichend hohes Potential an die Stromsenke an, so dass sie den kompletten Stromfluss übernimmt. Der rote Transistor neben den Umschalttransistoren sorgt dafür, dass sich das Steuerpotential selbst nicht auf den Ausgangsstrom auwirkt. Die Ströme der Bits 1 und 2 sind entweder zu hoch, um sie direkt über die Eingangsbeschaltung zu neutralisieren oder die vereinfachte Steuerung würde den Stromwert zu stark beeinflussen. Die Anforderungen an die Genauigkeit der hohen Stromwerte sind schließlich am höchsten.

Die Ströme der Bits 4 bis 10 werden über gleich aufgebaute Stromsenken erzeugt. Um die notwendigen Abstufungen erreichen zu können, durchlaufen sie einen R2R-Widerstandsteiler, bevor sie in den Summenknoten eingeleitet werden.

Die Ströme der Bits 11 und 12 werden mit nur einem Widerstand erzeugt, der die gleiche Form besitzt wie die Widerstände der Bits 4 bis 10. Oberhalb des Widerstands ist zu erkennen, dass er drei Stromsenken als Arbeitswiderstand dient. Der schwarze Transistor ist doppelt so groß ausgeführt wie der weiße und der nicht markierte Transistor. Das führt dazu, dass der schwarze Widerstand die Hälfte des Stroms des Bit 10 führt, was genau der richtige Stromwert für das Bit 11 ist. Entsprechend kann der erzeugte Strom direkt zum Strom des Bit 10 addiert werden. Der Summenstrom fließt dann zum R2R-Widerstandsteiler. Der Transistor des Bit 12 führt nur noch ein Viertel des Stroms des Bit 10 und kann so ebenfalls sofort zu den Strömen der Bits 10 und 11 addiert werden. Der nicht markierte Transistor wird benötigt, damit sich die gewünschte Stromverhältnisse einstellt.

In der oberen rechten Ecke befinden sich die abgeglichenen Widerstände, die es ermöglichen den Bereich der Ausgangsspannung festzulegen.

 

DAC800 Die Referenzspannungserzeugung

Im linken Drittel des Dies befinden sich die buried Zenerdiode und ihrer Umgebungsbeschaltung, die zusammen eine stabile Referenzspannung erzeugen. Wie weiter oben beschrieben, ist der Worst-Case-Temperaturdrift der DAC800-Referenzspannung etwas schlechter als der Worst-Case-Temperaturdrift der DAC80-Referenzspannung. Das muss nicht heißen, dass die integrierte buried Zenerdiode stärker driftet. Im DAC80 wird das Potential der Zenerdiode direkt nach außen geführt, im DAC800 erfolgt dagegen noch eine Aufbereitung des Referenzpotentials, was zusätzliche Drifteffekte mit sich bringen kann.

Im unteren Teil des Referenzspannungsblocks wurden zwei Widerstände abgeglichen. Ein dort integriertes Testpad vereinfachte wahrscheinlich den Abgleich. Es ist gut möglich, dass sowohl die Höhe der Referenzspannung als auch der Temperaturdrift abgeglichen wurde. Im oberen Bereich befindet sich ein Operationsverstärker, der als Puffer für die Referenzspannung dient.

 

DAC800 Die Referenzspannungserzeugung

Die buried Zenerdiode besitzt nur zwei Abgriffe und ist damit etwas einfacher aufgebaut als die buried Zenerdiode im DAC709.

 

DAC800 Die buried zener

DAC800 Die buried zener

In den unteren Ecken wurden zwei zusätzliche buried Zenerdioden integriert, die allerdings lediglich an Testpads angebunden sind. Innerhalb der digitalen Schnittstelle sind definitiv keine buried Zenerdioden notwendig. Um die spezielle Struktur der buried Zenerdiode unbeeinflusst vermessen zu können, wären keine zwei zusätzlichen Zenerdioden notwendig gewesen. Die Fertigungsqualität dieser speziellen Struktur über mehrere Bereiche des Dies zu prüfen erscheint ebenfalls wenig sinnvoll. Somit bleibt offen warum diese zwei Dioden integriert wurden.

 

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