Der Analog Devices AD558 ist ein sogenannter 8Bit DACPORT Digital-Analog-Wandler. Die Bezeichnung DACPORT steht für die Integration der analogen Schaltungsteile mit I2L-Schaltungsteilen (integrierte Injektionslogik).
Eine einzelne Spannung zwischen 5V und 15V ist ausreichend, um den AD558 zu versorgen. Der Betriebstemperaturbereich der Variante SD reicht von -55°C bis 125°C. In diesem Rahmen hält der DAC eine relative Genauigkeit von +/-0,75LSB ein. Bei Vollaussteuerung beträgt die maximale Abweichung +/-2,5LSB. Für eine Sprung von 0V auf 10V benötigt der Baustein maximal 3µs.
Der AD558 enthält als digitale Schnittstelle einen I2L-Zwischenspeicher. Diese Logik steuert Stromquellen, die den eigentlichen DAC darstellen. Integriert ist sowohl ein Ausgangsoperationsverstärker mit Feedback-Widerständen als auch eine Bandgap-Referenzspannungsquelle.
Auf dem Datenblatt des AD558 sind zwei Patente vermerkt: US3887863 und US3685045. Nicht referenziert ist das Patent US4323795, das den AD558 überraschend vollständig dokumentiert. Darin ist unter anderem die etwas ungewöhnliche Struktur der Stromquellen dargestellt, die den Kern des DACs bilden. In vielen Digital-Analog-Wandlern kommen NPN-Transistoren zum Einsatz, an deren Emittern sich die Widerstände befinden, die die Stromstärke der jeweiligen Stufe definieren. Die Kollektoren bilden den Ausgang. Ein Beispiel für eine solche Umsetzung ist der DAC08 von Raytheon. Im AD558 wurden dagegen PNP-Transistoren integriert. Deren Kollektorströme durchlaufen eine R2R-Widerstandskette und bedienen darüber den Ausgang. Die Stromregelung erfolgt nicht über das Basis-Potential der Transistoren, sondern über das Emitterpotential. Der Nachteil dieser Verschaltung ist, dass durch den Early-Effekt die Kollektorströme abhängig von den Potentialen in der Widerstandskette moduliert werden.
Die Transistoren Q51/Q52 stellen eine Bandgap-Referenz dar. Die Regelschleife wird durch den Operationsverstärker 38 geschlossen, der das Emitterpotential des Transistors Q50 steuert. Darüber wird der Strom durch den Kollektorwiderstand so geregelt, dass sich an der Basis von Q51/Q52 das sehr temperaturstabile Bandgap-Potential einstellt. Der Kollektorstrom zeigt sich dann ebenso temperaturstabil. Über das gemeinsame Emitter- und Basis-Potential stellt sich in allen weiteren Transistoren Q20-Q27 der gleiche Strom ein. Die R2R-Widerstandskette gewichtet die Beiträge der jeweiligen Bits unterschiedlich.
Die Abmessungen des Dies betragen 2,8mm x 2,2mm.
Die Jahreszahl in der rechten unteren Ecke verrät, dass das Design 1988 generiert wurde. Die Buchstaben MK in der oberen linken Ecke könnten Initialen des Entwicklers sein.
Es ist deutlich zu erkennen, dass das Die einen Laser-Abgleichprozess durchlaufen hat. Es enthält einige große Widerstände, die die typischen Abgleichspuren zeigen. In der oberen rechten Ecke befindet sich die typische quadratische Teststruktur zur Einstellung des Lasers. In der Mitte der oberen Kante wurden zwei Zeichen in ein Quadrat geschrieben. Vermutlich dient die Kennzeichnung dazu, den Abgleichprozess zurückverfolgen zu können.
Im Analog Devices Data-Acquisition Databook von 1982 ist die Metalllage des AD558 abgebildet (links). Im aktuellen Datenblatt (Revision B) findet sich ebenfalls eine Metalllage (rechts), die allerdings etwas anders aufgebaut ist. Diese Version stimmt mit dem Design des hier vorliegenden AD558 überein.
Der Vergleich der beiden Metalllagen zeigt die Unterschiede zwischen den beiden Revisionen. An einigen Stellen wurden kleinere Änderungen vorgenommen. So ist zum Beispiel die Masseleitung an der unteren Kante in der zweiten Revision dicker. Auch im linken Bereich wurden Versorgungsleitungen dicker ausgeführt. Hier hat man in Kauf genommen, dass das Die breiter wird. Passend dazu ist die zweiten Revision 0,1mm breiter spezifiziert.
Das Patent US4323795 enthält einen ausführlichen Schaltplan, der auf zwei Seiten aufgeteilt ist. Im Zwischenraum sind sechs der acht Stromsenken des DAC ausgeblendet. Wie sich zeigen wird, stimmt die im AD558 integrierte Schaltung sehr gut mit dem Schaltplan überein.
Kern der Schaltung ist eine Bandgap-Referenzspannungsquelle (türkis). Sie steuert die Referenzstromquelle des Digital-Analog-Wandlers. Im linken oberen Bereich befinden sich einige Stromquellen, die der Arbeitspunkteinstellung dienen (braun). Eine kleine Schaltung erzeugt ein 1,2V-Bias-Potential (grün).
Der Zwischenspeicher für die digitale Schnittstelle (grau) wird über eine Steuerschaltung kontrolliert (rosa). Darunter befindet sich der eigentliche Digital-Analog-Wandler (blau). Der DAC-Ausgang ist mit einem Operationsverstärker verbunden (rot). Dort befinden sich auch die Widerstände, mit denen sich der Ausgangsspannungsbereich einstellen lässt.
Die einzelnen Schaltungsblöcke und Bauelemente lassen sich eindeutig den Strukturen auf dem Die zuordnen.
Die Bandgap-Referenzspannungsquelle basiert auf dem bekannten Prinzip, das im Rahmen des AD1403 genauer beschrieben ist. Auf den ersten Blick ist die Schaltung allerdings etwas unübersichtlich. Den Kern bilden die Transistoren Q51/Q52 (türkis). Abhängig von den Strömen in den beiden Pfaden, werden die Transistoren Q53/Q54 unterschiedlich stark ausgesteuert (rot). Die Versorgung der beiden Transistoren erfolgt über den Stromspiegel Q60/Q61 (blau), der als Referenzstrom den Summenstrom der Bandgap-Zelle verwendet.
Über den grauen Pfad wird das Potential der Referenzstromquelle (hellgrün) so eingestellt, dass an der Basis der Bandgapreferenz 1,2V anliegen. Sind deren Emitterwiderstände richtig eingestellt, so ist diese Spannung äußerst temperaturstabil. Die folgenden Stromquellen des Digital-Analog-Wandlers (dunkelgrün) arbeiten mit den Potentialen der Referenzstromquelle.
Die Kapazität C1 sorgt für einen stabilen Betrieb, ebenso wie die Kapazitäten in der grauen Endstufe. Q55 stellt dort einen Treiber dar, der mit der Stromsenke Q57 arbeitet, die auf dem Bandgap-Referenzpotential basiert. In der Ausgangsstufe arbeitet der Transistor Q58 mit einer 1,5mA Stromquelle.
Die Regelung des Stroms durch die Bandgap-Zelle erfolgt über Q56 (gelb). Der JFET Q52 sorgt für einen sauberen Anlauf der Schaltung.
Bei der Referenzspannungsquelle fallen vor allem die großen Kondensatoren auf, die für die notwendige Stabilität der Schaltung sorgen.
Der Kern der Bandgap-Referenz zeigt den typischen Aufbau. Rechts unten ist ein kleiner Transistor von einem großen, zweigeteilten Transistor umgeben. Diese Maßnahme stellt sicher, dass sich beide Transistoren möglichst ähnlich verhalten.
Beim Shuntregler für die 1,2V-Biasspannung fällt auf, dass der Widerstand R53 fehlt. Dieser ist auch in der Metalllage der ersten Revision nicht zu erkennen.
Der Transistor Q72 und der Kondensator C4 sind verhältnismäßig stark ineinander integriert.
Das Patent US4323795 betont die effiziente Erzeugung der notwendigen, verhältnismäßig hohen Arbeitsströme. Die Geometrien des Stromspiegels Q75 und des Stromspiegels Q73Q76/Q77 wurden so aufeinander abgestimmt, dass sich ein konstanter Strom einstellt (Ia). Dieser Strom kann direkt als Arbeitsstrom genutzt werden und es entfällt der klassische Referenzpfad, dessen Stromfluss für die eigentliche Schaltung verloren ist.
Die Stromquelle versorgt die I2L-Schaltung demnach mit 4mA, den Steuerausgang der Bandgap-Referenz mit 1,5mA und die Steuerschaltung des I2L-Zwischenspeichers mit 1mA.
Die Umsetzung der Stromquellen auf dem Die weist einige interessante Strukturen auf. Um den PNP-Transistor Q75 sind drei große Kollektorstrukturen integriert. Auf Grund der engen elektrischen Verknüpfung befindet sich der NPN-Transistor Q73 direkt innerhalb dieser Strukturen. Im unteren Bereich kann man die unterschiedlich großen Transistoren Q76/Q77 erkennen, die den nach rechts folgenden I2L-Bereich versorgen.
Eine kleine Schaltung verknüpft die Steuersignale CS und CE und steuert damit die Übernahme des anliegenden digitalen Werts in den Zwischenspeicher.
Die Transistoren mit den halben Emitterpfeilen sind als Integrated Injection Logic (I2L) aufgebaut, wie sie im Rahmen des CA3161 genauer beschrieben ist.
Die Steuerschaltung des Zwischenspeichers ist in der oberen linken Ecke integriert. Der Widerstand R63 besitzt zwei zusätzliche Kontakte und kann so über eine Änderung der Metalllage angepasst werden. Dabei ändert sich die Schaltschwelle der Eingänge.
Die Nutzung der I2L-Technik ermöglichte es die Zwischenspeicher sehr platzsparend zu integrieren. Der Injektionsstrom wird von der Stromquelle links in den Bereich geführt und kontaktiert die einzelnen I2L-Elemente recht niederohmig.
Der eigentliche Digital-Analog-Wandler ist in der Patentschrift verkürzt dargestellt. Die Emitterwiderstände der Stromquellen sind einstellbar, um eine hohe Genauigkeit darstellen zu können. Unterhalb der Stromquellen befindet sich der R2R-Teiler, der dafür sorgt, dass die Stromquellen weiter rechts lediglich einen Anteil entsprechend ihrer Gewichtung beitragen. Die Ausgangsspannung stellt sich zwischen 0V und 400mV ein.
Die Referenzstromquelle (Q50) ist direkt neben den acht Stromquellen des Digital-Analog-Wandlers integriert und besitzt exakt die gleiche Form. Diese Maßnahme stellt sicher, dass sich alle Stromquellen so gleich wie möglich verhalten.
Die Emitterwiderstände sind deutlich zu erkennen. Es wurde auch tatsächlich jeder Widerstand abgeglichen. Die rechten Elemente zeigen allerdings weniger Abgleichspuren. Die Anforderungen an die Genauigkeit sind wegen dem kleineren Beitrag der Stromquellen niedriger und man hat wahrscheinlich weniger Aufwand in den Abgleich gesteckt.
An der oberen Kante wird das Emitterpotential "36" verteilt. In der Mitte erzeugen die PNP-Transistoren die notwendigen Ströme, deren Beiträge zur Ausgangsspannung im R2R-Netzwerk angepasst werden. Um bei den Widerständen eine hohe Symmetrie zu erreichen, befindet sich auch unter dem Widerstand R17 ein Widerstandsstreifen, obwohl dieser in der Schaltung nicht benötigt wird.
Der Ausgangsverstärker nutzt die Potentiale der DAC-Stromquellen, um seine Arbeitsströme zu erzeugen (blau). Die Eingangsstufe (rot) ist ungewöhnlich aufgebaut. Die PNP-Transistoren Q43/Q44 verarbeiten das Ausgangssignal des DACs und die Rückkopplung, die vom Ausgang zurückgeführt wird. Sie befinden sich in den Emitterpfaden des Stromspiegels Q34/Q36/Q37.
Am Kollektor des Transistors Q37 wird das Signal der nächsten Verstärkerstufe übergeben (grau), die den Ausgangstreiber Q41 aussteuert (grün). Q42 stellt dort mit R76 einen Überstromschutz dar. Je nach externer Verschaltung der Widerstände R77/R78/R79 stellt sich ein Ausgangsspannungsbereich von 0-2,56V oder 0V-10V ein. Fehlt die externe Beschaltung, so bilden die Widerstände R75A/R75B eine gewisse Gegenkopplung.
Der graue Schaltungsteil enthält mit dem Transistor Q40 ein sehr außergewöhnliches Element. Die Darstellung zeigt einen Transistor mit zwei Emitter- und zwei Kollektoranschlüssen, wobei ein Emitteranschluss als C3, also als Kollektor bezeichnet wird. Das Patent US4323795 erklärt, dass dieser spezielle Transistor integriert wurde, um ein grundsätzliches Problem zu kompensieren, das entsteht, wenn man Digital-Analog-Wandler ohne eine negative Versorgungsspannung betreiben will. Nähert sich das Ausgangssignal dem Massepotential an, so tendiert die Treiberstufe dazu in Sättigung zu gehen, was die Dynamik des Verstärkers stark verschlechtert.
Der zusätzliche Emitter C3 verbessert das Sättigungsverhalten. Im normalen Betrieb fließt darüber kein Strom. Geht Q40 allerdings in Sättigung, so sinkt das Potential an C3 unter das Basispotential von Q35. In diesem Zustand verhält sich der zusätzliche Emitter wie ein Kollektor und leitet Basisstrom von Q35 ab. Das führt dazu, dass Q40 weniger ausgesteuert wird und den Bereich der Sättigung wieder verlässt. Der zusätzliche Kollektor C2 stellt lediglich eine Kelvin-Verbindung zum Kollektor C1 dar, was den Spannungsabfall im Pfad zur Endstufe reduziert.
Im Ausgangsverstärker sind die justierten Widerstände für die Stromquellen und den Spannungsteiler der Ausgangsspannung deutlich zu erkennen.
Ohne der Beschreibung in der Patenschrift wäre es schwierig die Funktion des Transistors Q40 zu erkennen.
Die Patenschrift zeigt ein Schnittbild dieses speziellen Transistors. C1 und C2 stellen einen normalen Kollektor dar, wobei C2 über eine tief liegende, hochdotierte Schicht niederohmiger an den aktiven Bereich angebunden ist. C3 ist ein stark n-dotierter Bereich innerhalb der Basisfläche und stellt so eher einen Emitter als einen Kollektor dar.
In der realen Struktur sind die beiden Emitter gleich aufgebaut. Ganz rechts wird der Kollektor C1 kontaktiert. Die fast quadratische Fläche ist dann die oberflächliche n+ Dotierung. In der Mitte der Struktur ist Q42 der Strombegrenzungstransistor der Endstufe integriert. Da sein Kollektorpotential das C2-Potential ist, nutzt er direkt den Kollektorbereich des Transistors Q40. Auch der Shunt R76 wurde hier integriert.
Die tief liegende, stark dotierte Kollektorzuleitung erstreckt sich über die ganze Fläche der beiden Transistoren und weiter nach oben links, wo sie sich erweitert und die untere Elektrode des Kondensators CQ40 darstellt. Dort befindet sich schließlich auch die Verbindung vom Kollektor C2 zum Ausgangstransistor Q44.
Die beiden PNP-Eingangstransistoren des Ausgangsverstärkers weisen eine interessante Struktur auf. Da die n-dotierte Basis über die Kollektorstrukturen der NPN-Transistoren gebildet werden, konnte hier eine tief liegende, hochdotierte Kollektorzuleitung verwendet werden, um die Unterquerung einer Leitung niederohmig darstellen zu können. Diese Kollektorzuleitung zeigt sich hier als dünner Strich innerhalb des schwächer n-dotierten, länglichen Rechtecks.
Der Transistor Q40 besitzt im Schaltplan der Patentschrift den Emitterwiderstand Rup. Auf dem Die ist dieser Widerstand nicht zu finden. Die Metalllage der älteren Revision zeigt, dass in dieser Version der Widerstand wohl noch vorhanden war (grün).
