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Analog Devices AD562

AD562

Der AD562 ist ein 12Bit-Digital-Analog-Wandler von Analog Devices. In der Zeitschrift EDN wurde der Baustein 1974 als neu beworben. Die günstigste Variante kostete damals 58$, was heute (2022) 344$ entsprechen würde. Die beste Sortierung ist mit 150$ ausgeschrieben, umgerechnet auf die heutige Kaufkraft (2022) sind das 889$.

Abhängig von der Sortierung beträgt die Ungenauigkeit des AD562 maximal +/-0,25LSB (25°C). Der Betriebstemperaturbereich beginnt bei -55°C und endet bei +125°C. Als Temperaturkoeffizienten sind maximal 4ppm/°C für den Offset und 5ppm/°C für den Verstärkungsfaktor angegeben (jeweils bezogen auf die Vollaussteuerung). Die Einschwingzeit beträgt typischerweise 1,5µs und ist ein signifikanter Punkt, der beim Nachfolger AD565 optimiert wurde. Parallel zum AD562 war der AD563 verfügbar, der zusätzlich eine Referenzspannungsquelle enthält.

 

AD562 Aufbau

Im Package befindet sich ein Die mit einer Kantenlänge von 4,5mm. Der Massepin an der rechten Kante wurde dreifach kontaktiert, um störende Spannungsabfälle zu reduzieren.

 

EDN AD562 Aufbau

Die Zeitschrift EDN (Volume 20, Number 2, 20.1.1975) enthält einen Artikel über den AD562, der zeigt und beschreibt, dass ursprünglich zwei Elemente in das Gehäuse integriert wurden. Die Widerstände waren hier auf einem eigenen Die untergebracht.

 

Analog-Digital Conversion Notes AD562 Blockschaltbild

In den "Analog-Digital Conversion Notes" von Analog Devices (August 1980) findet sich noch ein Blockschaltbild, dass die Zweiteilung des Digital-Analog-Wandlers darstellt. Im oberen Bereich sind die aktiven Elemente integriert und im unteren Bereich befinden sich die mit einem Laser abgeglichenen Widerstände.

 

AD562 Die

AD562 Die

Die ursprüngliche Aufteilung des AD562 ist auch auf dem vollintegrierten Die noch gut zu erkennen.

 

AD562 Die Detail

An der rechten Kante des Dies sind neben dem Analog Devices Logo über die unterschiedlichen Masken vier Symbole integriert. Die Zahlen 562 lassen sich der Bauteilbezeichnung zuordnen. Die Bedeutung des Buchstaben E und der einzelnstehenden Zahl 8 bleiben offen.

Die Teststruktur oberhalb der Bauteilbezeichnung enthält einen Pinch-Widerstand und einen NPN-Transistor.

 

AD562 Die Widerstände

AD562 Die Widerstände

Viele der Widerstände tragen deutliche Abgleichspuren. Die breiteren Bereiche vereinfachen den Abgleich. Vor allem beim oberen Widerstand ist zu erkennen, dass der Laser ein ganzes Stück außerhalb der Widerstandsfläche gestartet ist. Die Zahl 1 in dem isolierten Quadrat ermöglicht es wahrscheinlich auf die eine oder andere Art den Abgleichprozess zurück zu verfolgen.

 

Data-Acquisisition Databook AD562 Schaltbild

Das "Data-Acquisition Databook 1982" von Analog Devices enthält ein vereinfachtes Schaltbild des AD562.

 

Analog-Digital Conversion Notes AD562 Schaltbild

Das Schaltbild in den "Analog-Digital Conversion Notes" von Analog Devices ist etwas ausführlicher.

Ein Operationsverstärker regelt mit einer externen Referenzspannungsquelle eine Referenzstromsenke, die 500µA aufnimmt. Gleichzeitig werden weitere Stromsenken ausgesteuert, die über unterschiedlich große Emitterwiderstände 1mA, 500µA, 250µA und 125µA aufnehmen. Die Transistoren sind unterschiedlich groß aufgebaut, so dass die Stromdichte gleich bleibt und sich die Transistoren möglichst gleich verhalten.

Die Schaltschwelle der digitalen Schnittstelle lässt sich über den Pin 2 zwischen TTL und CMOS umschalten. Letztlich werden Umschalter angesteuert, die die Stromsenken mit dem Massepotential oder dem Ausgang verbinden.

Die Stromsenken bestehen aus drei Vierergruppen mit jeweils 1mA, 500µA, 250µA und 125µA. Um die kleineren Stromwerte darstellen zu können, befinden sich zwischen den Gruppen Stromteiler, sogenannte "Interquad Divider". Der Ausgangsstrom lässt sich so zwischen 0mA und 2mA variieren. Der Aufbau der kleinsten Stromsenken unterscheidet sich etwas von den Größeren. Dazu später mehr.

Die beiden 5kΩ-Widerstände am Ausgang ermöglichen es einen Ausgangsspannungsbereich von 10V oder 20V einzustellen. Der 9,95kΩ-Widerstand dient dazu eine bipolare Ausgangsspannung zu erzeugen. Es handelt sich nicht um einen 10kΩ-Widerstand, damit über einen 100Ω-Potentiometer ein externer Abgleich möglich ist. Aus demselben Grund ist der Widerstand am Eingang der Referenzstromerzeugung nur 19,95kΩ groß.

 

AD562 Die Analyse

Die einzelnen Bereiche sind auf dem Die gut zu identifizieren. An der oberen Kante ist die Aufbereitung der digitalen Signale platziert (türkis). Aus einer Schaltung im linken Bereich wird die Schaltschwelle zugeführt (rosa).

Im linken Bereich befindet sich außerdem der Operationsverstärker (gelb), der die Referenzstromsenke aussteuert. Die Flächenverhältnisse 8:4:2:1 der Stromsenkentransistoren (dunkelgrau/hellgrau) sind deutlich zu erkennen. Die dritte Gruppe besitzt dagegen das Verhältnis 4:2:1:0,5.

Zwischen der digitalen Schnittstelle und den Stromsenken befinden sich die Umschalter, die die Stromsenken mit dem Ausgang verbinden (dunkelgrün) oder über das Massepotential terminieren (rot). Auch hier sind unterschiedliche Größen zu erkennen. Die Flächenverhältnisse stimmen aber vor allem bei den unteren Bits nicht mehr ganz mit den Stromverhältnissen überein. Hier ist das Verhältnis weniger kritisch, da der Stromwert noch durch 16 beziehungsweise durch 128 geteilt wird und sich entsprechend auch der Fehler reduziert. Allgemein haben die Stromdichten der Umschalter einen kleineren Einfluss auf den Gesamtfehler des Digital-Analog-Wandlers.

In der Mitte der Stromsenkentransistoren befindet sich eine kleine Schaltung (hellgrün), die ein Biaspotential für die Umschalter erzeugt. Das Biaspotential definiert gleichzeitig das Potential an den Kollektoren der Stromsenken.

 

AD562 Die Analyse

Die Emitterwiderstände der Stromsenken befinden sich direkt unter den zugehörigen Transistoren (dunkelgrau/hellgrau). In der ersten Gruppe sind die Flächen größer als in der zweiten. Die Widerstandswerte sind die gleichen, die größeren Flächen erleichtern aber den Abgleich. In der ersten Gruppe sind Fehler am kritischsten, da sie den größten Anteil des Ausgangsstroms liefert. Die dritte Gruppe konnte dagegen einfacher aufgebaut werden. Dazu später mehr.

An der rechten Kante finden sich die zwei Stromteiler (blau). An der unteren Kante sind die Widerstände zur Einstellung des Ausgangsspannungsbereichs integriert (lila). Links sind die Eingangswiderstände des Operationsverstärkers platziert, der die Stromsenken steuert (gelb).

 

AD562 Die digitale Schnittstelle

Die "Analog-Digital Conversion Notes" zeigen, wie die digitalen Eingangssignale verarbeitet werden. Es handelt sich um einen mit PNP-Transistoren aufgebauten Differenzverstärker dessen zwei Ausgänge die zwei Transistoren des Stromumschalters steuern. Auf einer Seite des Differenzverstärker (Q6) wird das Eingangssignal eingespeist, das Potential auf der anderen Seite (Q5) definiert die Schaltschwelle.

Auf dem Die sind die PNP-Differenzverstärker in Paaren angeordnet. Der oberste Transistor stellt die Stromquelle dar. Sie wird aus dem linken Bereich des Dies gesteuert. Darunter befindet sich der Transistor Q5 des Differenzverstärkers. Die Stromquellen und die Transistoren Q5 nutzen bei allen Eingängen die gleichen Basispotentiale, weswegen man sie in Paaren in der gleichen Basisfläche integrieren und Siliziumfläche einsparen konnte. Der zweite Transistor des Differenzverstärkers (Q6) besitzt dagegen eine exklusive Basisfläche. Nach unten werden die zwei Steuersignale "on" und "off" ausgegeben.

 

AD562 Die Strom Umschalter

Die vier Umschalttransistoren benachbarter Stromsenken (gelb/blau) wurden paarweise kombiniert. Zwei Transistoren, die zum Ausgang führen (grün) wechseln sich ab mit zwei Transistoren, die den Strom der Stromsenken über das Massepotential neutralisieren (rot). Die Kollektorwiderstände der steuernden Transistoren (türkis) arbeiten gegen ein Biaspotential.

 

AD562 Die Signalentflechtung

Die Entflechtung der Signale über die ganze Breite der Stromsenken und Umschalter ist mit nur einer Metalllage nicht unproblematisch.

 

AD562 Die Referenzstromerzeugung

Am Emitterpotential des Transistors, der den Referenzstrom einstellt, sind einige Kondensatorflächen angebunden, was wahrscheinlich das Verhalten der Regelschleife verbessert. Die isolierten Metallflächen könnten Vorhalte sein, um diese Kapazität mit einer kleinen Änderung der Metalllage vergrößern zu können.

 

AD562 Die Stromsenken

Die Zusammenführung der Fußpunktpotentiale der Stromsenken erfolgt möglichst sternförmig. Das ist wichtig, damit sich die Stromsenken nicht gegenseitig beeinflussen und alle mit demselben Bezugspotential arbeiten können. Das negative Versorgungspotential wird vom Bondpad aus über eine exklusive Leitung zu diesen Widerständen geführt. Die Anbindung des oberen Teils des AD562 erfolgt über eine eigene Leitung.

Je weiter links sich die Widerstände in der Reihe der Stromsenken befinden, desto größer ist ihr Einfluss auf den Gesamtfehler des DACs. Aus diesem Grund sind die großen Widerstände und die ersten kleinen Widerstände an den Rändern von Dummystrukturen umgeben. Sie sind nicht auf den ersten Blick zu erkennen, weil die Metalllage sie verdeckt. Die Dummystrukturen sorgen dafür, dass sich die Widerstände an den Rändern möglichst gleich verhalten wie die inneren Widerstände. Fertigungsprozesse wirken sich durch die homogenere Umgebung gleichmäßiger auf die relevanten Flächen aus.

 

AD562 Die Stromsenken

Variiert man Fokus und Belichtung, so treten die Dummystrukturen stärker hervor. Ganz links zeigt sich zusätzlich ein Symbol, das sich nicht ganz eindeutig deuten lässt.

 

US3961326 DAC

Das Datenblatt des AD562 verweist unter anderem auf das Patent US3961326. Darin ist der Aufbau des Digital-Analog-Wandlers genauer dargestellt. Der Schaltplan wurde zum besseren Verständnis eingefärbt. Die Ströme sind falsch eingetragen. Mit einer 10V-Referenzspannung und dem 20kΩ-Widerstand stellt der Operationsverstärker einen Referenzstrom von 500µA ein, wie es auch bei den obigen Schaltplänen dargestellt ist. Die restlichen Ströme müssen entsprechend ebenso halbiert werden.

Die erste Gruppe (rot) enthält vier Stromsenken. Bezogen auf die Referenzstromerzeugung beträgt das Widerstandsverhältnis 0,5:1:2:4. Das sorgt für ein Stromverhältnis 2:1:0,5:0,25 oder in absoluten Werten 1mA, 500µA, 250µA, 125µA. Diese Stromsenken werden abhängig vom digitalen Eingangssignal direkt mit dem Ausgang verbunden (türkis).

Die zweite Gruppe Stromsenken (gelb) ist genauso aufgebaut wie die erste Gruppe. Der Ausgangsstrom durchläuft allerdings einen "Interquad Divider", einen Stromteiler, der die Ströme um einen Faktor 16 reduziert. Die exakten Widerstandswerte weichen von den Widerstandswerten in den obigen Dokumenten minimal ab, die Faktoren sind allerdings die gleichen. Der 1/16-Stromteiler wird nur von der zweiten Gruppe genutzt. Die dritte Gruppe (grün) besitzt einen eigenen Stromteiler. Alternativ kann man auch mit zwei in Serie geschaltete 1/16-Teiler arbeiten, wie es zum Beispiel im DAC-HZ12 umgesetzt ist.

Die dritte Gruppe Stromsenken (grün) ist im Detail etwas anders aufgebaut als die ersten beiden Gruppen. Da sich die Fehlerbeiträge der weiter rechts befindlichen Stromsenken durch die Stromteiler weniger stark auf den Ausgang auswirken, kann man die dritte Gruppe einfacher ausführen, wodurch die Schaltung auf dem Die weniger Fläche einnimmt. Die stärkste Stromsenke der dritten Gruppe nimmt nur 500µA auf. Das ist auch der Grund, warum der zweite Stromteiler nicht einen Faktor von 1/256, sondern nur einen Faktor von 1/128 aufweist. Die ersten drei Stromsenken der dritten Gruppe besitzen gleich große Emitterwiderstände. Um dennoch ein Stromverhältnis von 8:4:2 erzeugen zu können, befinden sich zwischen den Stromsenken 7kΩ-Widerstände, die von den Summenströmen der folgenden Stromsenken durchflossen werden. Die kleinste Stromsenke arbeitet ebenfalls mit einem 14kΩ-Emitterwiderstand. Dort wird die Halbierung des Stroms durch einen zweiten Transistor (132) dargestellt, dessen Ausgang fest mit dem Massepotential verbunden ist. Die Transistoren 134 und 132 teilen sich den Strom, was das gewünschte Stromverhältnis erzeugt. Der Summenstrom der dritten Gruppe ist schließlich durch den zweiten Stromteiler mit dem Ausgang verbunden.

 

AD562 Die Stromsenken

Mit dem Hintergrund des Patents US3961326 ist die Verschaltung der Widerstände im AD562 besser zu verstehen.

Die beiden Stromteiler an der rechten Kante besitzen ein exklusives Massepotential, das über zwei Bonddrähte mit dem Gehäuse verbunden ist. Im Gegensatz zu vielen anderen Strömen an kritischen Stellen des Digital-Analog-Wandlers ändern sich die Ströme in den Stromteilern mit der gewünschten Ausgangsspannung. Diese Änderungen führen zu wechselnden Spannungsabfällen, die wiederum die Qualität des Ausgangssignals negativ beeinflussen können. Aus diesem Grund werden die Ströme über einen exklusiven, niederohmigeren Pfad abgeleitet.

Die unteren Widerstände der Stromteiler wurden ähnlich den Widerständen in den Stromsenken abgeglichen. Die oberen Widerstände scheinen zusätzlich die Möglichkeit eines sehr groben Abgleichs zu bieten, indem man größere Flächen vollständig durchtrennt.

 

AD562 Die Widerstände

Die Widerstände, die für die externe Umwandlung des Ausgangsstroms in eine Spannung benötigt werden, sind an der unteren Kante des Dies integriert. Das reduziert den externen Schaltungsaufwand. Da im AD562 sowieso ein Abgleichprozess zum Einsatz kommt, kann man so außerdem sehr günstig exakte Widerstandswerte darstellen.

Den abgeglichenen Widerständen sind zusätzliche Widerstände parallelgeschaltet. Die Einkerbungen mit den zwei Punkten lassen vermuten, dass auch diese Widerstände für einen Abgleich vorgesehen waren. Der Widerstand für die Einstellung einer bipolaren Ausgangsspannung besteht aus zwei Elementen. Zwischen diesen Elementen befindet sich ein zusätzliches Bondpad, so dass man über eine Variation der Bonddrähte einen anderen Widerstandswert einstellen kann.

 

AD562 Die Widerstände

Das Bondpad BIPOLAR OFFSET R IN besitzt eine Verbindung zum negativen Versorgungspotential, die während des Abgleichs durchtrennt wurde.

 

AD562 Die Widerstände

An der linken Kante des Dies befinden sich die zwei Eingangswiderstände, die zu dem Operationsverstärker führen, der den Referenzstrom einstellt. Der für den Referenzstrom kritische Widerstandswert am Bondpad REF HI besteht aus vier Widerstandselemente, von denen jeder einzeln abgeglichen werden kann.

Neben dem Bondpad REF HI befindet sich ein freies Bondpad, das hier nicht besonders gut zu erkennen ist. Dieses Bondpad macht es möglich nur ein Viertel des REF HI Widerstands zu kontaktieren. Im REF LO Pfad befindet sich ebenso ein Abgriff, der der Verortung nach ebenfalls einen Abgriff bei einem Viertel des Widerstands ermöglicht. Der Abgriff bei einem Viertel erscheint mit Blick auf den AD563 absolut logisch. Der AD563 besitzt zusätzlich eine 2,5V-Referenzspannungsquelle. Um mit den 2,5V die gleichen Ströme erzeugen zu können, muss der Widerstand am Eingang der Referenzstromregelung auf ein Viertel reduziert werden.

 

EDN AD562 Schaltplan

Data-Acquisition Databook AD562 Schaltplan

Betrachtet man den Schaltplan, der in der Zeitschrift EDN (Volume 19, Number 20, 20.10.1974) veröffentlich wurde (oben) und den Schaltplan aus dem "Data-Acquisition Databook 1982" von Analog Devices (unten), so finden sich sehr unterschiedliche Widerstandswerte.

Der Zeitschrift EDN nach könnte sich am nicht invertierenden Eingang des Referenzstrom-Operationsverstärkers ein Widerstand mit einem Wert von 10kΩ befinden. Gleichzeitig wäre am invertierenden Eingang ein 20kΩ-Widerstand. Das erscheint nicht besonders logisch, da man üblicherweise versucht die Widerstände an beiden Eingängen eines Operationsverstärkers gleich zu halten, so dass sich die Auswirkungen der Biasströme möglichst kompensieren. In den meisten Dokumenten und Patenten sind beide Widerstände mit 20kΩ angegeben. Wahrscheinlich handelt es sich bei den 10kΩ um einen Druckfehler.

Die zwei Widerstände zur Einstellung des Ausgangsspannungsbereichs werden meistens mit 5kΩ spezifiziert. Im "Data-Acquisition Databook 1982" sind alternativ 8kΩ in Klammern angegeben. Das würde die Verjüngungen und die Markierungen bei den parallel geschalteten Widerständen erklären. Wahrscheinlich kann man die Widerstandswerte auf 8kΩ erhöhen, indem man die parallelen Stränge durchtrennt.

Erhöht man die Werte der 5kΩ-Rückkopplungswiderstände, so muss man auch den Widerstand für den bipolaren Betrieb anpassen. Im "Data-Acquisition Databook 1982" ist dieser Widerstandswert entsprechend zusätzlich mit 16kΩ angegeben. Auch dieser Widerstand bietet auf dem Die parallel geschaltete Widerstände, die durchtrennt werden können. Man könnte aber mit dem Mittenabgriff wahrscheinlich auch die 5kΩ darstellen, die in der Zeitschrift EDN abgebildet sind. In dieser Konfiguration würde sich im "bipolaren Betrieb" ein Ausgangsstrombereich von 0mA bis 2mA einstellen, was nicht besonders nützlich erscheint. Der Zweck des alternativen 5kΩ-Widerstands erschließt sich nicht.

Im vorliegenden AD562 befinden sich noch einmal andere Widerstände: Der Widerstand am Eingang der Referenzstromerzeugung lässt sich mit 22kΩ bestimmen. Die Widerstände zur Einstellung des Ausgangsspannungsbereichs betragen jeweils 5,5kΩ und der Widerstand für den bipolaren Betrieb bietet passend dazu 11kΩ.

 

US3961326 AD562 Bias-Erzeugung

Der Schaltplan im Patent US3961326 zeigt den Schaltungsteil 60, der ein Biaspotential erzeugt. Dieses Biaspotential sorgt über die Transistoren der Umschalter dafür, dass die Kollektor-Basis-Spannung der Stromsenken konstant bleibt.

 

AD562 Die Bias-Erzeugung

Die Elemente, die das Biaspotential erzeugen, wurden in die Mitte des Digital-Analog-Wandlers integriert. Vermutlich soll das dafür sorgen, dass sich die Schaltung und die Stromsenken auf demselben Temperaturniveau befinden.

 

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