Meilensteine der Elektronik

Der AD574 von Analog Devices – auch nach 38 Jahren noch verfügbar

02.02.17 | Redakteur: Richard Oed

Blockdiagramm des AD574 aus dem Datenblatt von 1978
Blockdiagramm des AD574 aus dem Datenblatt von 1978 (Bild: ADI)

Bis Ende der 1970er-Jahre erforderte die Datenwandlung meist zahlreiche externe Komponenten. Diese Situation änderte sich mit der Vorstellung des AD574 durch Analog Devices.

Vor fast 40 Jahren, 1978, stellte Analog Devices mit dem AD574 einen innovativen und hochpräzisen 12-Bit, 25 µs SAR-Analog-Digital-Wandler vor, der sich durch eine hohe Integration auszeichnete und der sich aufgrund seiner Eigenschaften schnell zum Industriestandard entwickelte. Auch 38 Jahre nach Markteinführung ist dieses Bauelement in einer „A“-Revision noch immer erhältlich.

Mit diesem Bauteil war zum ersten Mal eine vollständig integrierte Wandler-Lösung auf dem Markt verfügbar, die zudem noch sehr kostengünstig war. Denn der AD574 bestand nicht nur aus dem eigentlichen Wandler, sondern brachte auch seine eigene, durch die Verwendung einer eingebetteten Zener-Diode hochstabile interne Referenz und seinen eigenen Taktgenerator sowie eine flexible digitale Schnittstelle mit. Letztere ermöglichte eine direkte Anbindung des Wandlers an einen 8-, 12- oder 16-Bit Mikrocontroller-Bus und verfügte über Tristate-Ausgangstreiber. Damit benötigte der AD574 außer einem Abtast-Halte-Glied keinerlei externe Bauelemente und vereinigte somit ein vollständiges Datenwandlersystem in einem keramischen Dual-Inline Gehäuse mit nur 28 Pins. Der Markt war begeistert und so erinnerte sich beispielsweise Bob Gerhardt von Boing noch 1991 daran, dass der AD574 „den für die Funktionalität benötigten Platz von einer Leiterplatte auf ein Bauelement reduzierte“ (Analog Dialogue 25-1 1991, Seite 18).

Ein vollständiges System in einem Gehäuse

Technisch war der AD574 ursprünglich eine 2-Chip-Lösung in einem einzigen Gehäuse, von Analog Devices damals als „Compound Monolithic Construction“ bezeichnet. Er bestand intern aus zwei Bauelementen: einem AD565 Digital-Analog-Wandler mit einer Fläche von 3,3 x 3,7 mm und einem digitalen Chip mit einer Fläche von 2,0 x 5,6 mm für das Sukzessive Approximation Register (SAR), die Steuerlogik, die Taktversorgung und die Ausgangstreiber.

Bereits 1985 wurde der Übergang zu einer Einchip-Lösung vollzogen und der Wandler nunmehr als AD574A bezeichnet und auch in einem Plastikgehäuse geliefert. Hergestellt wird er in einem Bipolar Prozess von Analog Devices.

Die außerordentliche Präzision war wegweisend

Die für die damaligen Verhältnisse äußerst hohe Präzision und Linearität wurde durch verschiedene Maßnahmen erreicht. So trimmte man die enthaltenen Dünnschichtwiderstände zum Abgleichen des Bausteins bereits während des Tests auf dem Wafer mit einem 0,4 mil (0,01 mm) Heliumlaser. Dabei überwachte und steuerte ein Computer die wichtigsten Parameter in Echtzeit. 22 Trim-Vorgänge waren notwendig, zum Teil bis zu einer Auflösung von 0.001% (http://www.analog.com/media/en/analog-dialogue/volume-12/number-3/articles/volume12-number3.pdf).

Der SAR-Chip benötigte nur das Trimmen des Komparator-Offsets. Dies geschah durch das Schmelzen von fünf Zenerdioden, womit sich 32 mögliche Varianten ergaben. Der eigentliche Schmelzvorgang wurde durch programmierte Strom-Überlasten, der sogenannten Zener-Zap Technologie, bewerkstelligt und damit ein dauerhaft niederohmiger Pfad erreicht. Auf diese Weise konnte der Offset des Komparators auf ungefähr 100 µV genau angepasst und die Eingangsstufe auf einen typischen Fehler von 1/10 LSB kalibriert werden. Durch einen zusätzlichen externen Widerstand war es möglich, den typischen Offset von +/-0.05% ganz auf null zu kalibrieren.

Eine flexible Schnittstelle vereinfachte das Design

Aber nicht nur die ausgezeichneten analogen Leistungsdaten machten den AD574 so beliebt. Dazu trug wesentlich auch das flexible digitale Interface bei, das für den Kunden das Problem der Entwicklung der Schnittstelle zwischen der analogen und der digitalen Welt löste.

Technisch bestand das Interface aus einem 12-Bit breiten Datenbus mit Tristate-Ausgangstreibern. Über diesen Bus konnte das Wandlungsergebnis entweder als einzelnes 12-Bit Wort über einen 12- oder 16-Bit breiten Bus abgeholt werden, oder auch als zwei aufeinanderfolgende 8-Bit Bytes, eines mit den oberen 8 Bits, das zweite Byte mit den unteren 4 Bits, wobei die restlichen Bits mit Nullen aufgefüllt waren, was den Anschluss an einen 8-Bit breiten Bus ermöglichte. Vervollständigt wurde die Schnittstelle durch verschiedene Steuer-Pins wie Chip Enable und Chip Select, Read/Convert oder Mode Select. Damit war es möglich, den AD574 ohne zusätzliche Bauelemente direkt an die verschiedenen Datenbusse von so populären Mikrocontrollern wie dem Motorola 6800 anzuschließen.

Der AD574 wurde zum absoluten Klassiker

Dies alles machte den AD574 zu seiner Zeit nicht nur zum wohl präzisesten, sondern auch zum am leichtest einsetzbaren Ein-Chip-A/D-Wandler. Gleichzeitig wies er die höchste Integrationsdichte und einen unschlagbar günstigen Preis von 36 US-Dollar für 100 Stück auf. So ließ sich Mike Seiler, ein Anwender des Bauelementes bei der Firma Atek in der Analog Dialogue 25-1 von 1991 zitieren: „Ein absoluter Klassiker, der 12-Bits erschwinglich machte“. Damit war der AD574 von Analog Devices der wohl bedeutendste SAR-Wandler, der jemals auf den Markt kam und entsprechend schnell wurde er zum Industriestandard.

Der AD574 stand über die Jahre Pate für eine Vielzahl neuer A/D-Wandler von Analog Devices. So erschien beispielsweise 1991 der AD1674, eine Weiterentwicklung, die zusätzlich ein Abtast-Halte-Glied integrierte. Dies machte ein weiteres externes Bauteil entbehrlich und ermöglichte den Kunden eine zusätzliche Kostenreduktion. Dies war aber nicht der einzige Wandler, der vom AD574 abgeleitet wurde, und auch in der Zukunft werden die Ingenieure bei Analog Devices revolutionäre neue Bauelemente entwickeln.

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