Richi´s Lab

Micro Power Systems MP7616

MP7616

Der Micro Power Systems MP7616 ist ein günstiger 16Bit-Digital-Analog-Wandler, der vor allem für HIFI-Anwendungen entwickelt wurde. In diesem Bereich ist eine gewisse Nichtlinearität weniger problematisch. Das Datenblatt spezifiziert eine typische Nichtlinearität von 0,01% (12Bit) und eine differentielle Nichtlinearität von 0,006% (13Bit). Dazu kommt ein Verstärkungsfaktorfehler von +/-0,8%. Der Ausgang stellt den Sollwert innerhalb von 2µs bis auf +/-0,011% genau ein.

Exar übernahm 1994 Micro Power Systems und produzierte weiterhin den MP7616.

 

MP7616 Datenblatt Blockschaltbild

Das Datenblatt enthält ein Blockschaltbild. Referenzspannungsquelle und Ausgangsoperationsverstärker müssen extern ergänzt werden. Die Basis bildet ein 12Bit-DAC. Um diesen DAC günstig auf 16Bit zu erweitern, wurden statt vier binär angesteuerte Stromquellen 15 einzelne Widerstände integriert, die die 16 Stufen der obersten 4Bit realisieren. Die Werte dieser Widerstände und der zugehörigen Stromschalter müssen so sehr viel weniger exakt eingestellt werden. Das Exar-Datenblatt bewirbt eine Erhöhung der zulässigen Ungenauigkeit von 0,0015% auf 0,024%, wodurch auf einen Laserabgleich der Widerstände verzichtet werden konnte.

 

MP7616 Die

MP7616 Die

Das Die des MP7616 ist 3,4mm x 2,5mm groß.

 

MP7616 Die Detail

An der oberen Kante des Dies findet sich die Bezeichnung 7616.

 

MP7616 Die Detail

MP7616 Die Detail

An der unteren Kante ist das Logo von Micro Power Systems abgebildet. Außerdem sind dort 8 Masken und die Zeichenfolge 6DSRCA oder 60SRCA integriert. Ein Muster aus Quadraten ermöglich eine Bewertung der Ausrichtung der Masken.

In den drei Teststrukturen TD1, TD2 und TD3 kann man verschiedene Transistoren vermessen. Jeder Block scheint zwei Transistoren zu enthalten, wahrscheinlich einen p- und einen n-Kanal-MOSFET. Man meint in den drei Teststrukturen unterschiedliche Kanalbreiten erkennen zu können.

 

MP7616 Die Detail

An der linken Kante des Dies ist eine weitere Prüfstruktur integriert.

 

MP7616 Die Detail

Eine Struktur in der linken unteren Ecke des Dies zeigt die Abbildungsleistung des Prozesses. Die untersten Elemente sind 4µm hoch.

 

MP7616 Zentrum Wissenschaft und Technik

In der DDR, im Zentrum Wissenschaft und Technik, wurde der MP7616 im Detail analysiert. Wie im Rahmen des HFO TF536 beschrieben, benötigte die DDR dringend einen eigenen 16Bit-Digital-Analog-Wandler. Die Ergebnisse der MP7616-Analyse sind hier dokumentiert: Teil 1 (17MB) / Teil 2 (4MB)

 

MP7616 Zentrum Wissenschaft und Technik

Das Die, das im Zentrum Wissenschaft und Technik dokumentiert wurde, zeigt keinen funktionalen Unterschied zum hier vorliegenden Schaltkreis. Es fehlt lediglich das A am Ende der Bezeichnung 6DSRC oder 60SRC in der rechten unteren Ecke.

Die Größe des Dies beschreibt das Dokument mit 3,8mm x 2,9mm, was größer wäre als die 3,4mm x 2,5mm des hier vorliegenden Bausteins. Entweder hat man sich damals vermessen oder das Design wurde im Lauf von 8 Jahren etwas verkleinert. Dagegen spricht allerdings, dass die minimale Breite der Metalllage mit 10µm angegeben wird, was zu den Strukturen des vorliegenden Bausteins passen würde. Vielleicht addieren sich Mess- und Rundungsfehler maximal ungünstig.

 

MP7616 Zentrum Wissenschaft und Technik

Der Schaltplan des Zentrums Wissenschaft und Technik, der hier zum besseren Verständnis eingefärbt wurde, scheint nicht ganz fehlerfrei zu sein. Oberflächlich betrachtet finden sich die 15 Stromquellen für die oberen 4Bit (rot) auf die ein "multiplying DAC" folgt (grün). In diesem Teil werden die unterschiedlichen Stromwerte über einen R2R-Teiler generiert. Am unteren Ende des Teilers sind die Stromquellen so aufgebaut, dass sie selbst bereits die notwendigen Anteile liefern (gelb).

Im Text des Zentrums Wissenschaft und Technik wird spekuliert, dass die unterschiedlichen Ströme durch die Widerstände und die Transistorgrößen generiert werden. Das erscheint abgesehen von Kompensationsmaßnahmen äußerst unwahrscheinlich. Die Aufteilung der obersten 4Bit auf 15 einzelne Stromquellen und die R2R-Kette generieren auch für sich schon die notwendigen Ströme, die Transistoren werden nur noch zum Umschalten benötigt. Dass die Transistoren teilweise unterschiedliche Größen aufweisen, liegt lediglich daran, dass sie unterschiedliche Ströme tragen müssen und sie weniger Fehler erzeugen, wenn die Stromdichten einigermaßen gleich sind.

Die letzte Stromquelle wird nicht umgeschaltet. Sie lässt dauerhaft einen kleinen Strom in den Ausgang Iout2 fließen. Bei diesem Pfad handelt es sich um den Abschlusswiderstand des R2R-Teilers, der so mit dem gleichen Bezugspotential arbeitet wie die anderen Stromquellen. Das Datenblatt enthält einen Hinweis, dass der Ausgang Iout2 durchgehend einen Offset von 30nA liefert.

Im Detail finden sich einige Unklarheiten. Die 14 rot markierten Stromquellen arbeiten, wie man es erwarten würde, mit dem Referenzpotential. Die Einbindung der Widerstände R109/R209 und der Transistoren T15/T16 in die restliche Schaltung ergibt allerdings keinen Sinn. Auch die Einbindung der ersten Stromquelle des R2R-Netzwerks (R111/T31/T32) erscheint unlogisch. Tatsächlich wird sich im Folgenden noch zeigen, dass die Darstellung nicht ganz richtig ist.

Ein weiterer Punkt, der nicht selbstverständlich ist, sind die zusätzlichen Transistoren T62 im R2R-Teiler und die Transistoren T55, T41, T52, T50, T58, T61, T51 in den kleineren Stromquellen. In der Analyse des Zentrums Wissenschaft und Technik werden einigen dieser Transistoren die Funktion von Stromteilern zugesprochen. Das ist aber wie bereits beschrieben unwahrscheinlich, da nicht notwendig. Wahrscheinlicher ist die zweite Erklärung, die für einige Transistoren herangezogen wird: Die zusätzlichen Transistoren kompensieren Drifteffekten.

 

MP7616 Die Analyse

Die Analyse des Zentrums Wissenschaft und Technik erleichtert die Identifikation der einzelnen Schaltungsteile. Die Strukturen sind noch so groß, dass man die Verschaltung problemlos erkennen kann.

Neben den bekannten Pin-Potentialen findet man auf dem Die das Potential "Shield", zusätzliche Bondpads für Iout2 und Uss, zwei nur mit Testnadeln kontaktierte Bondpads und ein nicht weiter verbundenes Bondpad.

 

MP7616 Die Stromquellen

MP7616 Die Stromquellen

MP7616 Schaltplan Stromquellen

Im oberen rechten Bereich des Dies befinden sich die 15 Stromquellen für die oberen vier Bits. Die hier gewählte Nummerierung entspricht nicht unbedingt der Abfolge der Schaltstufen beim Erhöhen des digitalen Eingangswerts.

Von rechts wird das Referenzpotential zugeführt. Eine sternförmige Verteilung reduziert die gegenseitige Beeinflussung der Stromquellen. Die Widerstände der Stromquellen wurden über Kreuz angeordnet. Diese Maßnahme soll dafür sorgen, dass sich fertigungsbedingte lokale Abweichungen möglichst gleichmäßig auf die Widerstände auswirken. Bei den Verbindungsleitungen wurde darauf geachtet, dass sie gleiche Längen und damit gleiche Widerstände aufweisen.

In der Mitte der Widerstände befinden sich bereits die ersten Elemente der folgenden R2R-Stromquellen.

Die Umschalter Q1-Q15 sind direkt neben- und übereinander angeordnet. Jeder Schalter besitzt eigene Leitungen zu den großen Knotenpunkten der Ausgänge Iout1 und Iout2.

Das Datenblatt spezifiziert bei einer Referenzspannung von 10V einen Ausgangsstrom von 2mA. Das bedeutet, dass jede der 15 Stromquellen 125µA liefern muss und das LSB 30nA beiträgt. Ein einzelner Widerstandswert ("R") müsste demnach 40kΩ betragen. Die Analyse des Zentrums Wissenschaft und Technik spricht allerdings von 20kΩ.

Der Aufbau und die Verschaltung der Stromquellen entsprechen dem, was man erwarten würde. Die Analyse des Zentrums Wissenschaft und Technik scheint hier fehlerhaft zu sein.

 

MP7616 Die Referenzpotential

Die Zuleitung des Referenzpotentials wurde deutlich verlängert und schleifenförmig verlegt. Es könnte sein, dass mit dem Temperaturkoeffizienten der Metalllage ein anderer Drift kompensiert wird.

Wie zu erwarten war, sind auf den Widerständen keine Abgleichspuren zu erkennen. An den Rändern befinden sich Dummystrukturen, die dafür sorgen, dass die äußeren aktiven Widerstände möglichst gleiche Eigenschaften aufweisen wie die inneren Widerstände.

 

MP7616 Die Strom Umschalter

Vor allem bei den 15 großen Stromquellen wurde versucht die Leitungswiderstände möglichst gleich zu halten. Die Leitungen der unteren Stromquellen sind breiter ausgeführt, um die Länge zu kompensieren. Die kurzen Leitungen der obersten Stromquellen wurden mit hochohmigeren Elementen der Polysiliziumlage ergänzt.

 

Micro Power Systems Moly Gate

Micro Power Systems setzte bei einigen Analog-Digital-Wandlern einen speziellen Transistoraufbau ein, der Molybdän als Gate-Elektrode verwendet.

 

Circuits Manufacturing Moly Gate

Die Zeitschrift "Circuits Manufacturing" (Volume 11, Issue 9, September 1971) enthält einen Artikel, der die Vorteile dieser oft als "Moly Gate" bezeichneten Technik beschreibt.

Der hohe Schmelzpunkt von Molybdän erlaubt es das Metall schon früh im Herstellungsprozess eines ICs einzusetzen. Es kann dann wie Polysilizium bei MOS-Transistoren gleichzeitig als Gate-Elektrode und als Maske für die Drain- und Source-Flächen dienen ("self aligned gate"). So ergeben sich sehr genau positionierte Teilbereiche, was sich positiv auf die Eigenschaften der MOSFETs auswirkt.

Ein weiterer Vorteil des Molybdäns ist der niedrige Widerstand im Vergleich zu Polysilizium, was zu geringeren Verlusten und kürzeren Schaltzeiten führt. Eine Beimischung von Molybdän verbessert wahrscheinlich auch schon die Eigenschaften der integrierten Schaltkreise.

 

MP7616 Die Detail

Die optische Erscheinung des MP7616 spricht nicht dafür, dass Molybdän zum Einsatz kam. Da das Gatematerial durchsichtig erscheint, wird es sich eher um Polysilizium handeln.

 

MP7616 Die 12Bit-DAC

MP7616 Die 12Bit-DAC

MP7616 Schaltplan 12Bit-DAC

Die Stromquellen, die die unteren 12Bit darstellen, wurden weniger aufwändig konstruiert. Die Beträge zum Gesamtfehlers des DACs sind hier auf Grund der Teilerfaktoren geringer. Die Widerstände der kleinsten Stromquellen sind deutlich kleiner und bieten der Verschaltung nach zu urteilen doppelt so große Widerstandswerte wie die großen Widerstände.

Die Verschaltung entspricht abgesehen von der Zuführung des Referenzpotentials, der Darstellung in der Analyse des Zentrums Wissenschaft und Technik.

 

MP7616 Die Umschalter Detail

Es ist gut zu erkennen, dass die Transistoren stetig kleiner werden (Q16, Q17, Q18). Genauer gesagt sinkt das Breite/Länge-Verhältnis, was bei kleiner werdenden Strömen für ein möglichst gleiches Verhalten sorgt.

Bei den Transistoren Q19, Q20 und Q21 war eine weitere Verkleinerung nicht mehr sinnvoll umsetzbar, so dass die zusätzlichen Transistoren Q19*, Q20* und Q21* davor gesetzt wurden. Diese Transistoren werden zu kleineren Strömen hin länger, was den gleichen Effekt auf das aufsummierte Breite/Länge-Verhältnis hat.

Da diese Maßnahme zunehmend mehr Fläche benötigt, befindet sich in der Versorgungsleitung hinter Q21 der übergreifend wirkende Transistor Qlink. Die Transistoren Q22, Q23 und Q24 konnten in der Folge wieder größer ausgeführt werden, bevor bei den Transistoren Q25, Q26, Q27 und Q28 wieder zusätzliche Transistoren vorgeschaltet werden mussten.

 

MP7616 Die R2R Detail

Der Strom der Stromquelle, die den R2R-Teiler abschließt, speist abseits des Sammelknotens in das Potential Iout2 ein.

 

MP7616 Die Shield

Das Bondpad Shield ist nach der Analyse des Zentrums Wissenschaft und Technik über einen Bonddraht mit dem Uss-Pin verbunden. Es handelt sich um eine Stichleitung, die die Umschalter der Stromquellen umgibt und so abschirmt.

 

MP7616 Die Feedback

Der Feedback-Widerstand nimmt sehr viel Fläche ein. Da er sich möglichst genauso verhalten soll wie die anderen Widerstände, ist er aus 16 parallel geschalteten 2R-Widerständen aufgebaut. Insgesamt ergibt sich so ein Wert von 5kΩ. Der Beitrag der Transistoren wird über den großen Transistor Qf dargestellt.

 

MP7616 Die Inverter

MP7616 Die Inverter Analyse

Die Stromschalter benötigen differentielle Steuersignale, die für jeden Schalter in zwei Inverterblöcken erzeugt werden. Die nMOS- und pMOS-Transistoren der Inverter befinden sich in gemeinsamen Bereichen mit Uss- und Udd- Potential.

 

MP7616 Die Inputstage

MP7616 Zentrum Wissenschaft und Technik Inputstage

Im linken unteren Bereich des Dies befinden sich die Eingangsstufen, die das digitale Eingangssignal entgegennehmen. Sie arbeiten mit der Hilfsspannung Udde.

 

MP7616 Die input protection

An den Bonpads befinden sich Schutzstrukturen, die anscheinend einen sogenannten "grounded gate nMOS" enthalten. In den Schaltplänen des Zentrums Wissenschaft und Technik ist hier ein weiterer kleiner Fehler zu finden: Dem Symbol nach würde es sich um einen pMOS-Transistor handeln, der in dieser Verschaltung immer leitend wäre.

 

MP7616 Die Inputstage Supply

MP7616 Zentrum Wissenschaft und Technik Inputstage Supply

Die Hilfsspannung für die Eingangsstufen generiert eine kleine Schaltung im der linken unteren Ecke des Dies. Die zwei freien Bondpads ermöglichen es die Schaltung zu vermessen.

 

MP7616 Die Decoder

Im linken oberen Bereich des Dies ist der Decoder integriert, der aus den obersten vier Bit des Eingangssignals die Steuersignale für die 15 großen Stromquellen erzeugt.

 

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