越來越多的應(yīng)用要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須在極高環(huán)境溫度下可靠地工作，例如井下油氣鉆探、特種和汽車應(yīng)用等。雖然這些行業(yè)的最終應(yīng)用不盡相同，但某些信號調(diào)理需求卻是共同的。這些系統(tǒng)的重要部分要求對多個傳感器進(jìn)行精確數(shù)據(jù)采集，或者要求高采樣速率。

此外，很多這樣的應(yīng)用都有很嚴(yán)格的功率預(yù)算，因?yàn)樗鼈儾捎秒姵毓╇?，或者無法耐受自身電子元件發(fā)熱導(dǎo)致的額外升溫。因此，要用到可以在溫度范圍內(nèi)保持高精度，并且可以輕松用于各種場景的低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)信號鏈。這類信號鏈見圖1；該圖描繪了一個井下鉆探儀器。

雖然額定溫度為175C的商用IC數(shù)量依然較少，但近年來這一數(shù)量正在新增，尤其是諸如信號調(diào)理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等核心功能。這便促使電子工程師快速可靠地設(shè)計用于高溫應(yīng)用的產(chǎn)品，并完成過去無法實(shí)現(xiàn)的性能。雖然很多這類IC在溫度范圍內(nèi)具有良好的特性化，但也僅限于該器件的功能。顯然，這些元件缺少電路級信息，使其無法在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)最佳性能。

本文中，我們供應(yīng)了一個新的高溫數(shù)據(jù)采集參考設(shè)計，該設(shè)計在室溫至175C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行特征化。該電路旨在供應(yīng)一個完整的數(shù)據(jù)采集電路構(gòu)建塊，可獲取模擬傳感器輸入、對其進(jìn)行調(diào)理，并將其特征化為SPI串行數(shù)據(jù)流。該設(shè)計功能非常豐富，可用作單通道應(yīng)用，也可擴(kuò)展為多通道同步采樣應(yīng)用。由于認(rèn)識到低功耗的重要性，該ADC的功耗與采樣速率成線性比例關(guān)系。該ADC還可由基準(zhǔn)電壓源直接供電，無需額外的電源軌，從而不存在功率轉(zhuǎn)換相關(guān)的低效率。這款參考設(shè)計是現(xiàn)成的，可方便設(shè)計人員進(jìn)行測試，包含全部原理圖、物料清單、PCB布局圖和測試軟件。

圖1.井下儀器數(shù)據(jù)采集信號鏈。

圖2.數(shù)據(jù)采集電路簡化原理圖。

電路概覽

圖1所示電路是一個16位、600kSPS逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，其所用器件的額定溫度、特性測試溫度和性能保證溫度為175C。很多惡劣環(huán)境應(yīng)用都采用電池供電，因此該信號鏈針對低功耗而設(shè)計，同時仍然保持高性能。

本電路使用低功耗（600kSPS時為4.65mW）、耐高溫PulSARADCAD7981，它直接從耐高溫、低功耗運(yùn)算放大器AD8634驅(qū)動。AD7981ADC要2.4V至5.1V的外部基準(zhǔn)電壓源，本應(yīng)用選擇的基準(zhǔn)電壓源為微功耗2.5V精密基準(zhǔn)源ADR225，后者也通過了高溫工作認(rèn)證，并具有非常低的靜態(tài)電流（210C時最大值為60A）。本設(shè)計中的所有IC封裝都是專門針對高溫環(huán)境而設(shè)計，包括單金屬線焊。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器

本電路的核心是16位、低功耗、單電源ADCAD7981，它采用逐次逼近架構(gòu)，最高支持600kSPS的采樣速率。如圖1所示，AD7981使用兩個電源引腳：內(nèi)核電源(VDD)和數(shù)字輸入/輸出接口電源(VIO)。VIO引腳可以與1.8V至5.0V的任何邏輯直接接口。VDD和VIO引腳也可以連在一起以節(jié)省系統(tǒng)所需的電源數(shù)量，并且它們與電源時序無關(guān)。圖3給出了連接示意圖。

AD7981在600kSPS時功耗典型值僅為4.65mW，并能在兩次轉(zhuǎn)換之間自動關(guān)斷，以節(jié)省功耗。因此，功耗與采樣速率成線性比例關(guān)系，使得該ADC對高低采樣速率甚至低至數(shù)Hz均適合，并且可實(shí)現(xiàn)非常低的功耗，支持電池供電系統(tǒng)。此外，可以使用過采樣技術(shù)來提高低速信號的有效分辨率。

圖3.AD7981應(yīng)用圖。

AD7981有一個偽差分模擬輸入結(jié)構(gòu)，可對IN+與IN輸入之間的真差分信號進(jìn)行采樣，并抑制這兩個輸入共有的信號。IN+輸入支持0V至VREF的單極性、單端輸入信號，IN輸入的范圍受限，為GND至100mV。AD7981的偽差分輸入簡化了ADC驅(qū)動器要求并降低了功耗。AD7981采用10引腳MSOP封裝，額定溫度為175C。

ADC驅(qū)動器

AD7981的輸入可直接從低阻抗信號源驅(qū)動；然而，高源阻抗會顯著降低性能，尤其是總諧波失真(THD)。因此，推薦使用ADC驅(qū)動器或運(yùn)算放大器（如AD8634）來驅(qū)動AD7981輸入，如圖4所示。在采集時間開始時，開關(guān)閉合，容性DAC在ADC輸入端注入一個電壓毛刺（反沖）。ADC驅(qū)動器幫助此反沖穩(wěn)定下來，并將其與信號源相隔離。

低功耗（1mA/放大器）雙通道精密運(yùn)算放大器AD8634適合此任務(wù)，因?yàn)槠涑錾闹绷骱徒涣魈匦詫鞲衅餍盘栒{(diào)理和信號鏈的其他部分非常有利。雖然AD8634具有軌到軌輸出，但輸入要求從正供電軌到負(fù)供電軌具有300mV裕量。這就使得負(fù)電源成為必要，所選負(fù)電源為2.5V。AD8634供應(yīng)額定溫度為175C的8引腳SOIC封裝和額定溫度為210C的8引腳FLATPACK封裝。

圖4.ADC前端放大器電路。

ADC驅(qū)動器與AD7981之間的RC濾波器衰減AD7981輸入端注入的反沖，并限制進(jìn)入此輸入端的噪聲帶寬。不過，過大的限帶可能會新增建立時間和失真。因此，為該濾波器找到最優(yōu)RC值很重要。其計算重要基于輸入頻率和吞吐速率。

由AD7981數(shù)據(jù)手冊可知，內(nèi)部采樣電容CIN=30pF且tCONV=900ns，因此正如所描述的，關(guān)于10kHz輸入信號而言，假定ADC工作在600kSPS且CEXT=2.7nF，則用于2.5V基準(zhǔn)電壓源的電壓步進(jìn)為：

因此，在16位處建立至LSB所需的時間常數(shù)數(shù)量為：

AD7981的采集時間為：

通過下式可計算RC濾波器的帶寬：

這是一個理論值，其一階近似應(yīng)當(dāng)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行驗(yàn)證。通過測試可知最優(yōu)值為REXT=85和CEXT=2.7nF(f3dB=693.48kHz)，此時在高達(dá)175C的擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)具有出色的性能。

在參考設(shè)計中，ADC驅(qū)動器采用單位增益緩沖器配置。新增ADC驅(qū)動器增益會降低驅(qū)動器帶寬，延長建立時間。這種情況下可能要降低ADC吞吐速率，或者在增益級之后再使用一個緩沖器作為驅(qū)動器。

基準(zhǔn)電壓源

ADR2252.5V基準(zhǔn)電壓源在時210C僅消耗最大60A的靜態(tài)電流，并具有典型值40ppm/C的超低漂移特性，因而非常適合用于該低功耗數(shù)據(jù)采集電路。該器件的初始精度為0.4%，可在3.3V至16V的寬電源范圍內(nèi)工作。

像其他SARADC相同，AD7981的基準(zhǔn)電壓輸入具有動態(tài)輸入阻抗，因此必須利用低阻抗源驅(qū)動，REF引腳與GND之間應(yīng)有效去耦，如圖5所示。除了ADC驅(qū)動器應(yīng)用，AD8634同樣適合用作基準(zhǔn)電壓緩沖器。

使用基準(zhǔn)電壓緩沖器的另一個好處是，基準(zhǔn)電壓輸出端噪聲可通過新增一個低通RC濾波器來進(jìn)一步降低，如圖5所示。在該電路中，49.9電阻和47F電容供應(yīng)大約67Hz的截止頻率。

圖5.SARADC基準(zhǔn)電壓緩沖器和RC濾波器。

轉(zhuǎn)換期間，AD7981基準(zhǔn)電壓輸入端可能出現(xiàn)高達(dá)2.5mA的電流尖峰。在盡可能靠近基準(zhǔn)電壓輸入端的地方放置一個大容值儲能電容，以便供應(yīng)該電流并使基準(zhǔn)電壓輸入端噪聲保持較低水平。一般而言，采用低ESR10F或更高陶瓷電容，但關(guān)于高溫應(yīng)用來說會有問題，因?yàn)槿鄙倏捎玫母邤?shù)值、高溫陶瓷電容。因此，選擇一個低ESR、47F鉭電容，其對電路性能的影響極小。

數(shù)字接口

AD7981供應(yīng)一個兼容SPI、QSPI和其他數(shù)字主機(jī)的靈活串行數(shù)字接口。該接口既可配置為簡單的3線模式以實(shí)現(xiàn)最少的I/O數(shù)，也可配置為4線模式以供應(yīng)菊花鏈回讀和繁忙指示選項(xiàng)。4線模式還支持CNV（轉(zhuǎn)換輸入）的獨(dú)立回讀時序，使得多個轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)同步采樣。

本參考設(shè)計使用的PMOD兼容接口實(shí)現(xiàn)了簡單的3線模式，SDI接高電平VIO。VIO電壓是由SDP-PMOD轉(zhuǎn)接板從外部供應(yīng)。轉(zhuǎn)接板將參考設(shè)計板與ADI系統(tǒng)開發(fā)平臺(SDP)板相連，并可通過USB連接PC，以便運(yùn)行軟件、評估性能。

電源

本參考設(shè)計的+5V和2.5V供電軌要外部低噪聲電源。由于AD7981是低功耗器件，因此可通過基準(zhǔn)電壓緩沖器直接供電。這樣便不再要額外的供電軌節(jié)省電源和電路板空間。通過基準(zhǔn)電壓緩沖器為ADC供電的正確配置如圖6所示。假如邏輯電平兼容，那么還可以使用VIO。就參考設(shè)計板而言，VIO通過PMOD兼容接口由外部供電，以實(shí)現(xiàn)最高的靈活性。

圖6.從基準(zhǔn)電壓緩沖器為ADC供電。

175C時，整個數(shù)據(jù)采集解決方案的典型總功耗可計算如下：

ADR225:30A5V=0.15mW

AD8634：（1mA2個放大器）7.5V=15mW

AD7981:4.65mW@600kSPS

總功耗=19.8mW

IC封裝和可靠性

ADI公司高溫系列中的器件要經(jīng)歷特殊的工藝流程，包括設(shè)計、特性測試、可靠性認(rèn)證和生產(chǎn)測試。專門針對極端溫度設(shè)計特殊封裝是該流程的一部分。本電路中的175C塑料封裝采用一種特殊材料。

耐高溫封裝的一個重要失效機(jī)制是焊線與焊墊界面失效，尤其是金(Au)和鋁(Al)混合時（塑料封裝通常如此）。高溫會加速AuAl金屬間化合物的生長。正是這些金屬間化合物引起焊接失效，如易脆焊接和空洞等，這些故障可能在幾百小時之后就會發(fā)生，如圖7所示。

圖7.195C下500小時后鋁墊上的金球焊。

為了避免失效，ADI公司利用焊盤金屬化(OPM)工藝產(chǎn)生一個金焊墊表面以供金焊線連接。這種單金屬系統(tǒng)不會形成金屬間化合物，經(jīng)過195C、6000小時的浸泡式認(rèn)證測試，已被證明非?？煽浚鐖D8所示。

圖8.195C下6000小時后OPM墊上的金球焊。

雖然ADI公司已證明焊接在195C時仍然可靠，但受限于塑封材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，塑料封裝的額定最高工作溫度僅為175C。除了本電路所用的額定175C產(chǎn)品，還有采用陶瓷FLATPACK封裝的額定210C型號可用。同時有已知良品裸片(KGD)可供要定制封裝的系統(tǒng)使用。

關(guān)于高溫(HT)產(chǎn)品，ADI公司有一套全面的可靠性認(rèn)證計劃，包括器件在最高工作溫度下偏置的高溫工作壽命(HTOL)。數(shù)據(jù)手冊規(guī)定，HT產(chǎn)品在最高額定溫度下最少可工作1000小時。全面生產(chǎn)測試是保證每個器件性能的最后一步。ADI高溫系列中的每個器件都在高溫下進(jìn)行生產(chǎn)測試，確保達(dá)到性能要求。

無源元件

應(yīng)當(dāng)選擇耐高溫的無源元件。本設(shè)計使用175C以上的薄膜型低TCR電阻。COG/NPO電容容值較低常用于濾波器和去耦應(yīng)用，其溫度系數(shù)非常平坦。耐高溫鉭電容有比陶瓷電容更大的容值，常用于電源濾波。本電路板所用SMA連接器的額定溫度為165C，因此，在高溫下進(jìn)行長時間測試時，應(yīng)當(dāng)將其移除。同樣，0.1接頭連接器（J2和P3）上的絕緣材料在高溫時只能持續(xù)較短時間，因而在長時間高溫測試中也應(yīng)當(dāng)予以移除。關(guān)于生產(chǎn)組裝而言，有多個供應(yīng)商供應(yīng)用于HT額定連接器的多個選項(xiàng)，比如Micro-D類連接器。

PCB布局和裝配

在本電路的PCB設(shè)計中，模擬信號和數(shù)字接口位于ADC的相對兩側(cè)，ADCIC之下或模擬信號路徑附近無開關(guān)信號。這種設(shè)計可以最大程度地降低耦合到ADC芯片和輔助模擬信號鏈中的噪聲。AD7981的所有模擬信號位于左側(cè)，所有數(shù)字信號位于右側(cè)，這種引腳排列可以簡化設(shè)計?；鶞?zhǔn)電壓輸入REF具有動態(tài)輸入阻抗，應(yīng)當(dāng)用極小的寄生電感去耦，為此須將基準(zhǔn)電壓去耦電容放在盡量靠近REF和GND引腳的地方，并用低阻抗的寬走線連接該引腳。本電路板的元器件故意全都放在正面，以方便從背面加熱進(jìn)行溫度測試。完整的組件如圖9所示。關(guān)于其它布局布線建議，參見AD7981數(shù)據(jù)手冊。

圖9.參考設(shè)計電路組件。

針對高溫電路，應(yīng)當(dāng)采用特殊電路材料和裝配技術(shù)來確?？煽啃?。FR4是PCB疊層常用的材料，但商用FR4的典型玻璃轉(zhuǎn)化溫度約為140C。超過140C時，PCB便開始破裂、分層，并對元器件造成壓力。高溫裝配廣泛使用的替代材料是聚酰亞胺，其典型玻璃轉(zhuǎn)化溫度大于240C。本設(shè)計使用4層聚酰亞胺PCB。

PCB表面也要注意，特別是配合含錫的焊料使用時，因?yàn)檫@種焊料易于與銅走線形成銅金屬間化合物。常常采用鎳金表面處理，其中鎳供應(yīng)一個壁壘，金則為接頭焊接供應(yīng)一個良好的表面。此外，應(yīng)當(dāng)使用高熔點(diǎn)焊料，熔點(diǎn)與系統(tǒng)最高工作溫度之間應(yīng)有合適的裕量。本裝配選擇SAC305無鉛焊料，其熔點(diǎn)為217C，相關(guān)于175C的最高工作溫度有42C的裕量。

性能預(yù)期

采用1kHz輸入正弦信號和5V基準(zhǔn)電壓時，AD7981的額定SNR典型值為91dB。然而，當(dāng)使用較低基準(zhǔn)電壓（比如2.5V，低功耗/低電壓系統(tǒng)常常如此），SNR性能會有所下降。我們可以根據(jù)電路中使用的元件規(guī)格計算理論SNR。由AD8634放大器數(shù)據(jù)手冊可知，其輸入電壓噪聲密度為4.2nV/Hz，電流噪聲密度為0.6pA/Hz。由于緩沖器配置中的AD8634噪聲增益為1，并且假定電流噪聲計算時可忽略串聯(lián)輸入電阻，則AD8634的等效輸出噪聲貢獻(xiàn)為：

RC濾波器之后的ADC輸入端總積分噪聲為：

AD7981的均方根噪聲可根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中的2.5V基準(zhǔn)電壓源典型信噪比（SNR，86dB）計算得到。

整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總均方根噪聲可通過AD8634和AD7981噪聲源的方和根(RSS)計算：

因此，室溫(25C)時的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)理論SNR可根據(jù)下式近似計算：

測試結(jié)果

電路的交流性能在25C至185C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行評估。使用低失真信號發(fā)生器對性能進(jìn)行特性化很重要。本測試使用AudioPrecisionSYS-2522。為了便于在烤箱中測試，使用了延長線，以便僅有參考設(shè)計電路暴露在高溫下。測試設(shè)置的功能框圖如圖10所示。

圖10.特性測試設(shè)置。

由前文設(shè)置中的計算可知，室溫下我們期望能達(dá)到大約86dB的SNR。該值與我們在室溫下測出的86.2dBSNR相當(dāng)，如圖11中的FFT摘要所示。

圖11.1kHz輸入信號音、580kSPS、25℃時的交流性能。

評估電路溫度性能時，175C時的SNR性能僅降低至約84dB，如圖12所示。THD仍然優(yōu)于100dB，如圖13所示。本電路在175C時的FFT摘要如圖14所示。

圖12.SNR隨溫度的變化（1kHz輸入信號音、580kSPS）。

圖13.THD隨溫度的變化（1kHz輸入信號音、580kSPS）。

圖14.1kHz輸入信號音、580kSPS、175℃時的交流性能。

小結(jié)

本文中，我們供應(yīng)了一個新的高溫數(shù)據(jù)采集參考設(shè)計，表述了室溫至175C溫度范圍內(nèi)的特性。該電路是一個完整的低功耗(

參考電路

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