https://www.richis-lab.de/DAC07.htm Richi's Lab Analog Devices AD1139 AD1139 AD1139 Der AD1139 ist ein Hybrid-Baustein, der alle notwendigen Bauteile enthalt, um einen vollstandigen 18Bit-Digital-Analog-Wandler mit einer Genauigkeit von 18Bit darzustellen. Eine Auflosung von 18Bit bedeutet bei einer Vollaussteuerung von 10V, dass das niederwertigste Bit gerade einmal 38uV einstellt. Hier ist die J-Sortierung zu sehen. Es existiert zusatzlich eine K-Sortierung, die noch etwas besser spezifiziert ist. Das vorliegende Bauteil wurde 2002 in den USA gefertigt. Das Gehause ist 44mm lang, 28mm breit und abgesehen von den Pins 5mm hoch. An der Unterseite des Keramikgehauses sind die Kontaktpins aufgelotet. Fur die K-Variante gibt das Datenblatt unter anderem folgende Spezifikationen an (Aufwarmzeit mindestens 15 Minuten): Differential Nonlinearity: +/-0,00019% max Integral Nonlinearity: +/-0,00019% max Temperaturdrift Differential Nonlinearity: +/-1ppm FSR/degC max Temperaturdrift Integral Nonlinearity: +/-0,5ppm FSR/degC max Temperaturdrift Gain (inkl. Vref): +/-4ppm FSR/degC max Temperaturdrift Offset: +/-1ppm FSR/degC max Langzeitstabilitat Differential Nonlinearity: +/-0,5ppm FSR/1000h Langzeitstabilitat Gain (inkl. Vref): +/-15ppm FSR/1000h Langzeitstabilitat Offset (unipolar/bipolar): +/-2ppm FSR/1000h max Langzeitstabilitat Reference Output: +/-15ppm FSR/1000h Einschwingzeit bis 1/2LSB: 60us (fur einen 20V-Schritt) Slewrate: 2V/us Um die hohe Stabilitat des AD1139 erreichen zu konnen, wird jeder Baustein 168 Stunde bei 125degC betrieben, bevor der abschliessende Abgleich erfolgt. AD1139 Gehausedeckel Der Deckel des AD1139 ist nicht auf das Keramikgehause aufgelotet. Wahrscheinlich wurde er mit Hilfe eines Lasers verschweisst. AD1139 Aufbau AD1139 Aufbau Im Inneren des Gehauses befindet sich ein Keramiktrager. Die Leitungen sind teilweise zweilagig auf dem Keramiktrager aufgebracht. Neben sechzehn Halbleitern kamen ein grosses Widerstandarray, drei Chip-Widerstande und vier Keramikkondensatoren zum Einsatz. AD1139 Blockschaltbild Das Datenblatt enthalt ein Blockschaltbild der enthaltenen Schaltungsteile. Versorgt wird der AD1139 mit +15V, +5V und -15V. An den Pins steht sowohl ein Power-Ground-Anschluss als auch ein Signal-Ground-Anschluss zur Verfugung. Die beiden Masseanschlusse mussen verbunden werden, da sie intern voneinander isoliert sind. Der Power-Ground-Anschluss fuhrt einen Strom von ungefahr 1mA. Dieser Strom ist unabhangig von der eingestellten Ausgangsspannung. Dennoch kann bei einer anvisierten Genauigkeit von 18Bit abhangig von der Lange der Leitungen ein Strom von 1mA bereits unzulassige Abweichungen und uber Temperatur auch nicht korrigierbare Drifts erzeugen. Aus diesem Grund bietet der AD1139 einen eigenen Signal-Ground-Anschluss. Ganz oben ist die -10V-Referenzspannungsquelle dargestellt, deren Potential nach aussen gefuhrt wird. Der Gain-Eingang ermoglicht es die Spannung abzugleichen. Die -10V-Referenzspannung wird ausserdem auf 5V heruntergeteilt und invertiert und uber einen 10kO-Widerstand ausgegeben. In Kombination mit den restlichen Schaltungsteile kann daruber ein bipolarer Betrieb eingestellt werden. Die Anschlusse des integrierten Ausgangs-Operationsverstarkers sind alle nach aussen gefuhrt, so dass die Ausgangsspannung des AD1139 uber einen Vierleiteranschluss zur Last gefuhrt werden kann. Am Stromausgang des eigentlichen Digital-Analog-Wandlers befinden sich zwei Widerstande, die es ermoglichen die verschiedenen unipolaren und bipolaren Ausgangsspannungen einzustellen. Der Digital-Analog-Wandler ist zweigeteilt. Die sechs hochstwertigsten Bits durchlaufen einen Zwischenspeicher und werden dann einem 6Bit-Digital-Analog-Wandler zugefuhrt. Die unteren zwolf Bits verarbeitet ein vollintegrierter 12Bit-Digital-Analog-Wandler, der auch einen Zwischenspeicher enthalt. Die von Analog Devices herausgegebene Zeitschrift analog dialogue (Volume 22, Number 1, 1988) verrat, dass es sich bei dem zweiten Digital-Analog-Wandler um ein 14Bit-Modell handelt. Weiter ist angegeben, dass dessen Stromausgang zuerst noch eine Spannungswandlung durchlauft, damit sich die Ausgange der beiden Digital-Analog-Wandler einfacher addieren lassen. AD1139 Bauteilanalyse Die meisten Schaltkreise kann man optisch eindeutig identifizieren. Die restlichen Dies lassen sich anfanglich zumindest ihrer Funktion zuordnen. Die blaue Schicht, die es ermoglicht die Leitungsfuhrung zweilagig zu gestalten, deckt optisch relativ gut. Kombinatorik und genaue Beobachtung reichen alleine nicht aus, um die Potentiale nachverfolgen zu konnen, einige Messungen mussen durchgefuhrt werden. AD1139 Uberblick Potentialhandling Den Grossteil des linken Bereichs nimmt die Erzeugung der Referenzspannungen ein. AD1139 AD588 Die Die Grundlage der Referenzspannungen stellt eine AD588C-Referenzspannungsquelle dar. Die darin enthaltenen Funktionen werden detailliert im Rahmen der Analyse der Revision A der AD588 erlautert. Die AD588 wird mit +/-15V versorgt. Auf dem Die ist ein Operationsverstarker integriert ("REF GND"), der das Bezugspotential der eigentlichen Referenzspannungsquelle ("REF") definiert. Dieser Operationsverstarker ist so verschaltet, dass an der AD588 -10V abgegriffen werden konnen. Das -10V-Potential puffert ein in die AD588 integrierter Operationsverstarker ("-10V"). Das intern ebenfalls verfugbare -5V-Potential wird ungepuffert abgegriffen, obwohl auf dem Die der AD588 ein weiterer Operationsverstarker verfugbar ware ("n.c."). Die -10V-Referenzspannung der AD588 liegt direkt am Referenzspannungsausgang des AD1139 an. Ausserdem versorgt das Potential einen Teil des grossen Widerstandarrays. AD1139 -5V-Erzeugung Schaltplan Die ungepufferte -5V-Referenzspannung der AD588 wird mit einem grossen Keramikkondensator stabilisiert und dient einem OP27-Operationsverstarker als Bezugspotential. Der Operationsverstarker erzeugt uber einen Transistor als zusatzliche Pufferstufe ein belastbares -5V-Potential. Dieses -5V-Potential speist den grossen Sternpunkt, der als Referenzpotential fur die oberen sechs Bits des Digital-Analog-Wandlers dient. Es erscheint recht umstandlich, dass man statt dem freien Operationsverstarker in der AD588 einen zusatzlichen Operationsverstarker eingesetzt hat und dieser auch noch mit einem zusatzlichen Transistor am Ausgang entkoppelt ist. Man kann vermuten, dass die notwendige Stabilitat der Grund fur diesen Aufbau war. Das Datenblatt der AD588 beschreibt als moglichen Einsatz einen 14Bit- und einen 16Bit-Digital-Analog-Konverter. Es ist gut denkbar, dass die Stabilitat des integrierten Operationsverstarkers fur einen 18Bit-Digital-Analog-Wandler nicht ausreichend ist. Zwar wird einer der in die AD588 integrierten Operationsverstarker fur die -10V-Referenzspannung genutzt, dieses Potential ist aber fur die eigentliche Analogwandlung nicht relevant. Der zusatzliche OP27 mit seinem externen Endstufentransistor ermoglicht es, die gegenuber Temperaturanderungen und -gradienten empfindlichen Schaltungsteile des Operationsverstarkers vor den in der AD588 und der Endstufe anfallenden Verlustleistungen zu schutzen. Das Gesamtkonstrukt sorgt so fur eine hohere thermische Stabilitat der internen Referenzspannung. Der Widerstand R3 mit seinem Bezug zum -10V-Potential ware an sich nicht notwendig. Der Transistor Q1 konnte mit dem Arbeitswiderstand R1 das -5V-Potential problemlos einregeln. Der mit dem zusatzlichen Widerstand aufgebaute Spannungsteiler entlastet aber den Transistor Q1, so dass sich auch ohne Regeleingriff bereits ein Potential nahe der -5V einstellt, was dann nur noch mit einem relativ geringen Strom eingeregelt werden muss. Wahrend die Widerstande R1 und R2 als SMD-Bauteile bestuckt sind, befinden sich die Widerstande R3 und R4 auf dem Widerstandarray. Der Widerstand R4 ergibt sich durch die noch folgende Erzeugung eines +5V-Potentials. AD1139 OP37 Die Das Die des OP27 verrat nicht sofort, um welchen Operationsverstarker es sich handelt. Die Maskenkennzeichnungen an der linken Kante weisen darauf hin, dass es sich um ein von PMI entwickeltes Teil handelt. Dasselbe Design ist zum Beispiel bei den verschiedenen Generationen der Referenzspannungsquelle REF01 zu sehen. In der oberen linken Ecke ist das Jahr 1990 und die Modellbezeichnung 1427U festgehalten. AD1139 OP37 Metalllage Mit der Bezeichnung 1427U findet sich das Datenblatt des OP37. Darin ist auch ein Abbild der Metalllage abgedruckt, das zum vorliegenden Die passt. Das Datenblatt beschreibt allerdings auch, dass der OP37 ein sehr schneller Operationsverstarker ist, der entsprechend nur fur Verstarkungsfaktoren >5 geeignet ist. Bei geringeren Verstarkungsfaktoren und entsprechend starkeren Ruckkopplungen besteht die Gefahr von Schwingungen. Nachdem der Operationsverstarker hier als Spannungsfolger mit Verstarkungsfaktor 1 eingesetzt wird, ist es unwahrscheinlich, dass es sich tatsachlich um einen OP37 handeln. Im Datenblatt des OP37 wird fur kleinere Verstarkungsfaktoren der OP27 empfohlen. Die Datenblatter des OP37 und des OP27 enthalten den gleichen Schaltplan, es fehlen nur die Bauteilwerte. Wird ein Operationsverstarker mit verschiedenen Bandbreiten angeboten, so handelt es sich oftmals um das gleiche Design, bei dem nur die Metalllage, meist die daraus ausgebildeten Kapazitaten geandert werden. Im OP27 Datenblatt ist die Metalllage allerdings nicht abgedruckt. AD1139 OP27 Metalllage alt AD1139 OP37 Metalllage alt Im "PMI Linear and Conversion Products Data Book" von 1986 sind altere Metalllagen des OP27 und des OP37 abgebildet. Beide Strukturen ahneln nicht der Metalllage des vorliegenden Operationsverstarkers. Die OP27-Metalllage ist mit 1427X bezeichnet und stammt aus dem Jahr 1982. Die OP37-Metalllage tragt die Bezeichnung 1410Z und stammt aus dem Jahr 1980. Es scheint, dass das Design des OP27 im Jahr 1990 so uberarbeitet wurde, dass es uber eine Anderung der Metalllage sowohl den OP27, als auch den OP37 darstellen kann. Dafur spricht die Bezeichnung 1427U im OP37 Datenblatt und auf dem im AD1139 eingesetzten Die. Wie bei den verschiedenen Generationen der Referenzspannungsquelle REF01 gut zu sehen war, kennzeichnet PMI Evolutionsstufen durch Buchstaben, die von Z in Richtung A dekrementiert werden. AD1139 OP37 Schaltplan Der OP27 ist ein Prazisionsoperationsverstarker. Mit seinen bipolaren Eingangen bietet er eine geringe Rauschspannungsdichte von 3nV/sqrt (Hz). Die initiale Offsetspannung wird wahrend der Fertigung abgeglichen, liegt dann bei typischerweise 10uV und driftet mit nur 0,2uV/degC. Die CMRR betragt typischerweise 126dB, die PSRR wird mit 1uV/V angegeben. Die Spezifikationen des OP27 sind etwas besser als die der Operationsverstarker in der AD588-Referenzspannungsquelle. Dort ist der Offsetdrift mit 1uV/degC hoher und die CMRR mit 100dB niedriger. Ein Offsetdrift von 1uV/degC verschlechtert die Stabilitat eines 18Bit-Digital-Analog-Wandlers bereits merklich. Temperaturanderungen von 10degC konnen in diesem Fall die Halfte des fur den ganzen Wandler zulassigen Fehlerbudgets aufbrauchen. Besonders erwahnenswert ist die Eingangsstufe des OP27 und die Umsetzung auf dem Die. An den Eingangen befinden sich Schutzdioden, die an der unteren Kante des Dies direkt zwischen den Eingangen platziert sind. Oberhalb der Schutzdioden, leicht links versetzt sind auf dem Die die Transistoren zu erkennen, die auf dem Schaltplan den Transistor Q16 abbilden. Uber diese Schaltung wird der Biasstrom der Eingangsstufe kompensiert und so der nach aussen wirkende Biasstrom reduziert. Da sich die Verschaltung im AD1139 nicht andert, konnte man theoretisch mit den temperaturabhangigen Biasstromen ganz gut umgehen, indem man gleiche Eingangswiderstande wahlt. Praktisch befindet sich einer der Widerstande auf dem AD588-Die. Die Integration des Widerstands auf dem Die bringt eine erhohte Toleranz und einen starkeren Drift mit sich, woruber sich die Biasstrome dann wieder negativ bemerkbar machen konnen. Die Eingangstransistoren im Differenzverstarker wurden aufgedoppelt, um sie auf dem Die uber Kreuz anordnen zu konnen. Diese Anordnung sorgt dafur, dass thermische Gradienten die Eigenschaften der Eingangsstufe weniger stark beeinflussen. Die Platzierung relativ weit links auf dem Die und die Umgebung, die zum Grossteil von den grossen Kondensatoren definiert wird, fuhrt allgemein zu relativ geringen thermischen Gradienten. Insgesamt ergibt sich so der wunschenswert niedrige Temperaturdrift. Links der Eingangstransistoren befinden sich auf dem Die die Kollektorwiderstande, die es ermoglichen uber Testpads und fusible Links die Offsetspannung zu minimieren. Zwischen der Eingangsstufe und der Spannungsverstarkungsstufe (Q26) befindet sich ein zusatzlicher Puffer, der die Eingangsstufe entlastet, die Stromlieferfahigkeit erhoht und so hohere Slewrates ermoglicht (Q21, Q22, Q23, Q24). Die Spannungsverstarkungsstufe ist umfangreich kompensiert (R5, R9, R12, C1, C3, C4). Diese Kompensation war vermutlich notwendig, um auch die hohe Bandbreite des OP37 sauber darstellen zu konnen. AD1139 Transistor Die Der Transistor der -5V-Referenzspannungserzeugung ist eher unspektakular. AD1139 Widerstand Die SMD-Widerstande der -5V-Referenzspannungserzeugung werden abgeglichen. Auf diesem AD1139 erfolgte der Abgleich nur bei einem der zwei Widerstande, es existieren aber auch AD1139-Modelle bei denen beide Widerstande abgeglichen sind. Da es sich um eine Regelschleife handelt, ware ein Abgleich nicht zwingend notwendig. Vermutlich wird daruber aber der Arbeitspunkt der Schaltung so justiert, dass der Transistor moglichst ideal arbeiten kann. Das -5V-Potential wird schliesslich uber einen grossen, zentral gelegenen Sternpunkt in den Digital-Analog-Wandler-Bereich ubertragen. AD1139 OP07 Die Basierend auf dem -5V-Potential und mit Hilfe des Widerstandarrays erzeugt ein OP07-Operationsverstarker das +5V-Potential. Dieses +5V-Potential wird zur Offseterzeugung nach aussen gefuhrt und als Referenzpotential fur die niederwertigeren Bits der Analogwandlung genutzt. Bei den niederwertigeren Bits sind Abweichungen weniger kritisch, weswegen auch die Anforderungen an die Referenzspannung niedriger ausfallen. Der OP07 ist weniger komplex als der OP27. Das Design stammt aus dem Jahr 1986 und tragt die Bezeichnung 1407U. Bei genauerer Betrachtung zeigt sich, dass die grundsatzliche Platzierung der Schaltungsteile durchaus der Anordnung im OP27 ahnelt. AD1139 OP07 Metalllage Bei der Zuordnung des Operationsverstarkers hilft auch hier das "PMI Linear and Conversion Products Data Book" von 1986. Die Abbildung der Metalllage des OP07 gleicht dem Design des vorliegenden Dies und tragt ebenfalls die Bezeichnung 1401. Die Abbildung ist mit einer Revision X etwas alter. Die Spezifikationen des OP07 sind etwas schlechter als die des OP27. Die Biasstrome liegen aber mit typischerweise +/-1,2nA unterhalb der Biasstrome des OP27 (+/-10nA). Ein niedriger Biasstrom ist in der hier vorliegenden Verschaltung besonders wichtig, da der nicht invertierende Eingang direkt an das Massepotential angebunden ist. Die ungleichen Widerstandswerte an den Eingangen des Operationsverstarkers wandeln die temperaturabhangigen Biasstrome in eine auf den Ausgang wirkende Storspannung um. AD1139 OP07 Schaltplan Der im Datenblatt abgebildete Schaltplan zeigt wie ahnlich der OP07 dem OP27 ist. Die Biasstromkompensation ist etwas komplexer aufgebaut, was den geringeren Restbiasstrom erklart. Der Abgleich des Offsets erfolgt genauso wie beim OP27. Die dafur vorgesehene Die-Flache ist beim OP07 allerdings kleiner. Die einfacheren Widerstande und die leicht reduzierten Abgleichmoglichkeiten erklaren die etwas hohere Rest-Offsetspannung des OP07. AD1139 Widerstandarray Ein Teil des Widerstandarrays wird im Referenzspannungsblock genutzt. Zwei der Widerstande komplettieren den OP07 zu einem invertierenden Verstarker (-5V / OP07 IN- / OP07 OUT). Ausserdem ist der 10kO-Widerstand fur die Offseterzeugung auf diesem Array integriert. Das -10V-Potential wird uber drei Widerstande zu den drei Analogschaltern ubertragen, die die hochstwertigsten sechs Bits des Digital-Analog-Wandlers darstellen. Des Weiteren befindet sich zwischen dem -10V-Potential und dem -5V-Potential der Widerstand, der in der beschriebenen -5V-Pufferstufe den Regeltransistor unterstutzt. AD1139 Widerstandarray Abgleich Die Widerstandsflachen wurden mit einem Laser abgeglichen. Kleine Symbole markieren die Stellen, an denen der Abgleichvorgang beginnt. Die einzelnen Strukturen tragen jeweils einen unterschiedlichen Beitrag zum Abgleich bei. Die beiden inneren Widerstandstreifen werden relativ stark beschnitten und ermoglichen entsprechend grosse Anderungen. Der Schlitz im oberen Widerstandstreifen trennt bereits weniger der Flache ab und beeinflusst den Widerstand damit weniger stark. Der untere Widerstandstreifen wird noch seitlicher beschnitten und stellt daher vermutlich die Feinjustierung dar. Die unterschiedlichen Symbole scheinen die unterschiedlichen Einflussbereiche zu markieren. Ein Teil der Oberflache ist mit einer Schutzschicht uberzogen, darunter befinden sich auch einige abgeglichene Elemente. AD1139 Widerstandarray Abgleich Seitlich betrachtet scheint es, dass die Schutzschicht nach dem Abgleichvorgang aufgebracht wurde. Es ist davon auszugehen, dass das Widerstandarray in einem ersten Prozess grob abgeglichen wird. Nach dem Aufbringen der Schutzschicht erfolgt dann der Feinabgleich uber die Aussparungen in der Schutzschicht. AD1139 Diode im Massepfad Der AD1139 arbeitet mit zwei Bezugspotentialen, SigGND und PGND. SigGND dient als Bezugspotential fur die Referenzspannung und den Analogausgang. SigGND wird auch intern nur als Referenzpotential genutzt und entsprechend kaum belastet. Der AD1139-Artikel im analog dialogue (Volume 22, Number 1, 1988) gibt einen Strom von nur 1uA an. Der AD1139 sorgt ausserdem dafur, dass sowohl die Strome auf SigGND, als auch die Strome auf PGND unabhangig vom eingestellten Ausgangswert sind. Das verhindert, dass problematische, variable Spannungsabfalle auftreten. PGND dient als Bezugspotential fur die Versorgungsspannungen. PGND und SigGND sind intern nur uber eine Schutzdiode verbunden und mussen daher extern an einer geeigneten Stelle miteinander verbunden werden. AD1139 Uberblick MSB-DAC Die hochstwertigsten sechs Bits des Digital-Analog-Wandlers stellt der mittlere Schaltungsteil dar. Hier muss die hochste relative Genauigkeit erreicht werden. Das Bit 18 stellt einen Strom von 500uA dar, wahrend eine Abweichung von 2nA bereits das maximale Fehlerbudget fur den ganzen Digital-Analog-Wandler aufbraucht. AD1139 CD4042B Die Zwei Vierfach-Puffer vom Typ CD4042B speichern die obersten sechs Bits ab sobald sie uber das WR-Signal getriggert werden. AD1139 HC4053 Die Die von den zwei CD4042B zwischengespeicherten, digitalen Werte steuern drei Analogmultiplexer. Es handelt sich dabei um HC4053, die jeweils drei Umschalter enthalten. AD1139 HC4053 Blockschaltbild Das Blockschaltbild im Datenblatt zeigt den Aufbau des HC4053. Kontrolliert werden die drei Umschalter uber drei Steuerleitungen und einen Enable-Eingang. AD1139 CD4042 HC4053 Verschaltung Die drei hochstwertigsten Bits steuern uber einen CD4042B jeweils zwei Umschalter an. Die drei folgenden Bits bedienen jeweils nur einen Umschalter. Wahrend die Ubernahme der Daten in die Zwischenspeicher uber den WR-Pin gesteuert wird, liegt das Enable-Signal der HC4053 dauerhaft auf Massepotential. AD1139 CD4042 HC4053 Verschaltung Fur jedes Bit wird entweder das -5V-Potential oder das Bezugspotential SigGND uber einen spezifischen Widerstand mit dem Ausgang verbunden. Der am Ausgang befindliche Operationsverstarker fixiert das Ausgangspotential bei 0V. Uber die -5V-Referenzspannung und den jeweiligen Widerstand ergeben sich die ersten sechs Stromwerte des Digital-Analog-Wandlers: -500uA, -250uA, -125uA, -62,5uA, -31,25uA, -15,625uA Die obersten drei Bits steuern jeweils einen zusatzlichen Umschalter. Ist der Ausgang aktiv, also das -5V-Potential mit dem Ausgangswiderstand verbunden, so wird gleichzeitig das -10V-Potential uber einen gleich grossen Widerstand auf den -5V-Knoten geschaltet. Das fuhrt dazu, dass ein Grossteil des Stroms vom Analogausgang zum -10V-Potential und nicht zum -5V-Potential fliesst. Da das -5V-Potential fast nicht belastet wird, kann es den Ausgangsstrom sehr stabil einstellen. Die Strome der obersten drei Bits sind vermutlich hoch genug, dass sie auf dem Weg zum Sternpunkt bereits zu relevanten Spannungsabfallen fuhren wurden. Ist ein Bit inaktiv, so wird dort das -10V-Potential mit seinem Widerstand vom Ausgang getrennt, aber dennoch wieder an das -5V-Potential angebunden. Auf den ersten Blick erscheint diese Umschaltung unlogisch, da das -5V-Potential daruber ohne Not belastet wird. So wird allerdings sichergestellt, dass sich der Arbeitspunkt des -10V-Potentials nicht andert. Eine lokale Variation des -5V-Potentials an einem inaktiven Umschalter ist dagegen weniger relevant. Die sternformige Verteilung des -5V-Potentials und die nahegelegene Regelung kompensieren die Stromschwankung im Referenzknoten vermutlich relativ gut. Die doppelte Umschaltung nimmt eine nicht unerhebliche Flache ein. Bei den Bits 15, 14 und 13 hat man darauf verzichtet. Die um einen Faktor 8 niedrigeren Strome waren anscheinend klein genug, so dass man sich den zusatzlichen Aufwand sparen konnte. AD1139 Widerstandarray Die Ausgangswiderstande der hochstwertigsten sechs Bits befinden sich ebenso auf dem Widerstandarray wie die weiter oben bereits beschriebenen Widerstande, die zum -10V-Potential fuhren. Die Widerstande der oberen drei Bits (18, 17, 16) sind ahnlich strukturiert wie die bisher betrachteten Widerstande. Es ist schon zu sehen, wie die Strukturen von Bit zu Bit langer und dunner werden, woruber sich die hoheren Widerstandswerte ergeben. Die Widerstande der Bits 15, 14 und 13 besitzen jeweils nur zwei kompakte Flachen, der restliche Abgleich erfolgt uber Gitterstrukturen, in denen Querverbindungen durchtrennt werden. Der Grund fur den anderen Aufbau durfte in den hoheren Widerstandswerten liegen. Im Gegensatz zu den Bits 15 und 14 sind die Gitter des Bit 13 dunner und damit noch hochohmiger. Neben den sechs Widerstanden fur die hochstwertigsten sechs Bits ist auf dem Widerstandarray auch ein Widerstand fur die unteren zwolf Bit integriert. Wahrend sich die Widerstandswerte vom Bit 18 zum Bit 13 konstant verdoppeln, arbeiten die unteren zwolf Bit genauso mit einem 400kO-Widerstand wie das Bit 13. Was auf den ersten Blick verwunderlich erscheint, erklart sich folgendermassen: Die Spannung am Eingang fur Bit 1-12 betragt -2,5V wenn nur das Bit 12 aktiv ist. Entsprechend erzeugt der 400kO-Widerstand an dieser Stelle in diesem Fall genau wieder den halben Strom des Bit 13. Sind alle Bits unterhalb Bit 13 aktiv, so erreicht den 400kO-Widerstand eine Spannung knapp unter -5V, was dann auch wieder zum zugehorigen Digitalwert passt. AD1139 Voltage regulator Die Die negative Versorgungsspannung der Analogschalter HC4053 darf -6V nicht unterschreiten. Der AD1139 bietet als negative Versorgung allerdings nur das -15V-Potential, weswegen ein kleiner Linearregler integriert werden musste. Die Ausgangsspannung des Linearreglers puffert ein SMD-Kondensator. Das Modell des Linearreglers lasst sich nicht identifizieren, es scheint sich aber um ein eher einfaches Bauteil zu handeln. Links sind die zwei relativ grossen Langsreglertransistoren inklusive einer Shunt-Strommessung zu erkennen. In der Mitte des Dies befindet sich eine gefaltete Metallstruktur mit mehreren Durchkontaktierungen. Daruber kann wahrscheinlich die Ausgangsspannung eingestellt werden. Die Spannung an den Eingangen des HC4053 darf das Potential der negativen Versorgung nicht unterschreiten. Das -10V-Potential ist diesbezuglich vermutlich unproblematisch, da sich am HC4053 immer -5V einstellen so lange einer der Schalter aktiv ist. Fur den Zeitraum weniger Nanosekunden konnen beide Schalter geoffnet sein. Der geringe Stromfluss uber die Schutzdioden der HC4053-Eingange ist fur diese kurze Zeit vermutlich unproblematisch. AD1139 Uberblick LSB-DAC Die niederwertigsten 12Bit werden von einem integrierten Digital-Analog-Wandler dargestellt, der sich an der rechten Kante des AD1139 befindet. Die Zeitschrift analog dialogue (Volume 22, Number 1, 1988) weist ihn als 14Bit-DAC aus. Der AD712 enthalt zwei Operationsverstarker. Der obere Operationsverstarker puffert fur den 14Bit-DAC das Bezugspotential SigGND. Der 14Bit-DAC wurde ohne diesen Puffer aussteuerungsabhangige Strome nach SigGND abfliessen lassen und konnte so zu Storungen fuhren, die fur einen 18Bit-DAC durchaus relevant sind. Der untere Operationsverstarker wandelt das Stromsignal des 14Bit-DAC in ein Spannungssignal, das sich auf dem Widerstandarray vorteilhaft zu den anderen Stromanteilen addieren lasst. AD1139 12Bit-DAC Das Die des 14Bit-DAC enthalt keine Typbezeichnung vergleicht man die Eigenschaften mit den von Analog Devices verfugbaren 14Bit-DACs, so scheint es sehr wahrscheinlich, dass es sich um einen AD7535 handelt. Die Analyse eines AD7535 bestatigt die Annahme. Dessen Genauigkeit betragt bestenfalls +/-1LSB, was erklart warum hier nur die oberen 12Bit des 14Bit-DACs genutzt wurden. AD1139 14Bit-DAC Detail AD1139 14Bit-DAC Detail Die Kennzeichnungen auf dem Die lassen lediglich darauf schliessen, dass das Design von Analog-Devices in Beaverton entwickelt wurde. AD1139 14Bit-DAC Datenblatt Die Funktionen und die Pinzuordnung des AD7535 stimmen mit den Gegebenheiten im AD1139 uberein. Der Inhalt eines 14Bit breiten Datenbusses wird in zwei Zwischenspeichern abgelegt. Ein weiteres Register ermoglicht es die zu wandelnden Daten unabhangig vom Timing der digitalen Schnittstelle zu ubernehmen. Der eigentliche Digital-Analog-Konverter ist mit doppelten Referenzspannungs- und Bezugspotentialanschlussen ausgestattet, so dass eine Vierleiter-Anbindung moglich ist. Parallel zum Ausgang ist ein Feedback-Widerstand fur den extern anzuschliessenden Operationsverstarker integriert. AD1139 14Bit-DAC Datenblatt Das Datenblatt zeigt den Aufbau des Digital-Analog-Konverters. Die oberen drei Bits steuern sieben Umschalter, die gleichgrosse Widerstande zwischen das Referenzpotential und den Ausgang schalten. Die unteren elf Bits bedienen Umschalter, die Abschnitte einer R2R-Konfiguration zum Ausgang hin durchschalten. Das Schaltbild macht deutlich, wie das Bezugspotential abhangig vom eingestellten Ausgangswert unterschiedlich belastet wird. AD1139 14Bit-DAC Detail Das erste Bondpad ist mit zwei Pfeilen gekennzeichnet, was es erleichtert die Bondpads den Funktionen zuzuordnen. AD1139 14Bit-DAC Aufbau Die turkisen Bezeichnungen beziehen sich auf den Aufbau des AD1139. Die weissen Bezeichnungen beziehen sich auf das Datenblatt des AD7535. Im oberen Bereich (auf dem AD1139 links) befinden sich die Widerstande des Digital-Analog-Wandlers. Neben drei ungenutzten Widerstanden folgen die sieben Widerstande G, F, E, D, C, B und A, die die Strome der hochstwertigsten vier Bits mit einer gleichmassigen Abstufung darstellen. Es scheint, dass die Ausbuchtungen der Widerstandflachen im Rahmen eines Abgleichs angepasst werden konnen. Tatsachlich sichtbar ist ein Abgleich nur bei den zwei Widerstanden ganz links. Nach unten folgt jeweils ein roter Widerstand. Es konnte sein, dass es sich dabei um ein Material mit einem relativ hohen spezifischen Widerstand handelt, so dass die oberen Widerstande relativ kleine Werte darstellen mussen und dadurch genauer abgeglichen werden konnen. Unterhalb der Widerstande befinden sich die Umschalter G, F, E, D, C, B und A, die auf Grund der gleich grossen Strome die gleichen Flachen einnehmen. Von diesen Umschaltern aus fuhren einzelne Leitungen zum Bezugspotential AGND oder zum Ausgang Iout. Die Leitungen sind auf gleiche Widerstande optimiert, so dass sich fur die Digital-Analog-Wandlung moglichst ideale Verhaltnisse ergeben. Es folgt nach rechts die R2R-Widerstandskette, in der ebenfalls jeder Widerstand aus grossen und kleinen Elementen besteht. Da in den Zweigen einer R2R-Widerstandskette die Strome immer kleiner werden, fallen auch die Transistoren vom Zweig 10 zum Zweig 0 hin immer kleiner aus. Der Grund dafur ist nicht die Stromtragfahigkeit. Die unterschiedlichen Grossen der Transistoren sorgen fur ein moglichst gleiches Verhalten, genau genommen moglichst gleiche Widerstande im eingeschalteten Zustand. Zwar konnte man unterschiedliche Widerstande in einem Arbeitspunkt uber den sowieso erfolgenden Abgleich egalisieren, das Verhalten eines MOSFETs ist aber ein anderes als das eines einfachen Widerstands. Wahrend von den Spalten 10 zu 9 zu 8 noch eine gleichmassige Halbierung der Transistorflachen zu erkennen ist, verhalt es sich mit den folgenden Transistoren anders. Eine weitere Halbierung der Flachen war anscheinend nicht moglich. AD1139 14Bit-DAC Detail Stromschalter Uber dem Umschalter 7 befindet sich bereits ein zusatzlicher Transistor, durch den der Strom der Spalte vorher fliessen muss. Die "Lange" der zusatzlichen Transistoren verdoppelt sich von Stufe zu Stufe. Beim ICL8018 im DAC80 versucht man die Stromdichte in den bipolaren Transistoren konstant zu halten, indem man eine unterschiedliche Anzahl Transistoren parallel schaltet. Bei MOS-Transistoren, die sich ahnlich wie Widerstande verhalten, kann man neben einer Verkleinerung der Flachen auch die hier angewendete Serienschaltung nutzen. AD1139 14Bit-DAC Detail Stromschalter Ganz links ist der Ruckkopplungswiderstand fur den externen Operationsverstarker integriert. Es handelt sich aber nicht nur um einen Widerstand. Am unteren Ende befinden sich die gleichen MOSFETs wie auch bei den nach rechts folgenden Spalten, wo sie als Umschalter arbeiten. Hier sorgen die Transistoren dafur, dass sich der Ruckkopplungspfad exakt gleich verhalt wie die einzelnen Spalten. Andern sich zum Beispiel durch Temperaturschwankungen die Eigenschaften der Umschalter-MOSFETs, so andert sich das Verhalten der MOSFETs im Ruckkopplungsfpad relativ ahnlich und das Verhalten des kompletten Analog-Digital-Wandlers bleibt relativ gleich. Die Flache der Transistoren im Ruckkopplungspfad ist proportional zu den zugehorigen Widerstandsflachen. AD1139 14Bit-DAC Detail Im unteren Bereich des Dies befinden sich die digitalen Schaltungsteile. Fur die vierzehn Bits sind in der unteren Zeile vierzehn Zwischenspeicherzellen auszumachen. Daruber folgt die Dekodierung auf die notwendigen 18 Steuersignale. Von dort aus fuhren differentielle Steuerleitungen zu den jeweiligen zwei Umschaltern. AD1139 AD712 Die Der Zweifach-Operationsverstarker AD712 besitzt FET-Eingange. Die ausserst geringen Biasstrome von hochstens 100pA bei Raumtemperatur verhindern, dass das Signal-Bezugspotential unzulassig belastet wird. Gut zu erkennen sind die vier quadratisch angeordneten Eingangstransistoren auf jeder Seite. AD1139 Uberblick Ausgangstreiber Der AD1139 besitzt einen integrierten Ausgangsverstarker. Dessen Referenzpotential wird uber einen SMD-Widerstand an das SigGND-Potential angebunden. Der Widerstand wurde abgeglichen, damit dessen Wert dem Quellenwiderstand am zweiten Eingang moglichst gleich ist und sich durch Biasstrome verursachte Spannungsabfalle moglichst gegenseitig kompensieren. Auf diesem Bild ist gut zu erkennen, dass der Deckel des Gehauses uber das Pad zwischen Pin 1 und Pin 2 an das SigGND-Potential angebunden ist. Diese Anbindung sorgt fur eine gut definierte, storungsfreie Abschirmung der Schaltung. Gleichzeitig besteht aber die Gefahr, dass uber die relativ grosse Flache des Deckels Storungen kapazitiv eingekoppelt werden. AD1139 Uberblick OP37 Die Das Die des Ausgangsoperationsverstarkers zeigt, dass es sich um den bereits bekannten OP27 handelt. AD1139 Ausgangstreiber Schutzdioden Zwischen den Potentialen AmpIN und SigGND befinden sich zwei antiparallele Schutzdioden, obwohl der OP27 an seinen Eingangen selbst Schutzdioden besitzt. Das Datenblatt des OP27 erlaubt daruber einen maximalen Stromfluss von +/-25mA, was in Anbetracht des Widerstands in Serie zu einem Eingang ausreichend sein sollte. Warum dennoch zusatzliche Schutzdioden integriert wurden, lasst sich nicht klaren. zuruck Donate with PayPal button oder unterstutzt mich uber Patreon