【導(dǎo)讀】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、航空和汽車應(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)的主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，因為它們采用電池供電，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，需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175°C的商用IC數(shù)量依然較少，但近年來這一數(shù)量正在增加，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)實系統(tǒng)中實現(xiàn)最佳性能。
本文中，我們提供了一個新的高溫數(shù)據(jù)采集參考設(shè)計，該設(shè)計在室溫至175°C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行特征化。該電路旨在提供一個完整的數(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、600 kSPS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175°C。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（600 kSPS時為4.65 mW）、耐高溫PulSAR® ADCAD7981，它直接從耐高溫、低功耗運算放大器AD8634驅(qū)動。AD7981 ADC需要2.4 V至5.1 V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2.5 V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（210°C時最大值為60 μA）。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ADC AD7981，它采用逐次逼近架構(gòu)，最高支持600 kSPS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1.8 V至5.0 V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600 kSPS時功耗典型值僅為4.65 mW，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0 V至VREF的單極性、單端輸入信號，IN− 輸入的范圍受限，為GND至100 mV。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175°C。
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（1 mA/放大器）雙通道精密運算放大器AD8634適合此任務(wù)，因為其出色的直流和交流特性對傳感器信號調(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300 mV裕量。這就使得負(fù)電源成為必要，所選負(fù)電源為 –2.5 V。AD8634提供額定溫度為175°C的8引腳SOIC封裝和額定溫度為210°C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，過大的限帶可能會增加建立時間和失真。因此，為該濾波器找到最優(yōu)RC值很重要。其計算主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 = 30 pF且tCONV = 900 ns，因此正如所描述的，對于10 kHz輸入信號而言，假定ADC工作在600 kSPS且CEXT = 2.7 nF，則用于2.5 V基準(zhǔn)電壓源的電壓步進(jìn)為：
因此，在16位處建立至½ 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)在實驗室中進(jìn)行驗證。通過測試可知最優(yōu)值為REXT = 85 Ω和CEXT = 2.7 nF (f–3dB = 693.48 kHz)，此時在高達(dá)175°C的擴展溫度范圍內(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。增加ADC驅(qū)動器增益會降低驅(qū)動器帶寬，延長建立時間。這種情況下可能需要降低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
ADR225 2.5 V基準(zhǔn)電壓源在時210°C僅消耗最大60 μA的靜態(tài)電流，并具有典型值40 ppm/°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3.3 V至16 V的寬電源范圍內(nèi)工作。
像其他SAR ADC一樣，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增加一個低通RC濾波器來進(jìn)一步降低，如圖5所示。在該電路中，49.9 Ω電阻和47 μF電容提供大約67 Hz的截止頻率。
圖5. SAR ADC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)2.5 mA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，以便提供該電流并使基準(zhǔn)電壓輸入端噪聲保持較低水平。一般而言，采用低ESR——10 μF或更高——陶瓷電容，但對于高溫應(yīng)用來說會有問題，因為缺少可用的高數(shù)值、高溫陶瓷電容。因此，選擇一個低ESR、47 μF鉭電容，其對電路性能的影響極小。
數(shù)字接口
AD7981提供一個兼容SPI、QSPI和其他數(shù)字主機的靈活串行數(shù)字接口。該接口既可配置為簡單的3線模式以實現(xiàn)最少的I/O數(shù)，也可配置為4線模式以提供菊花鏈回讀和繁忙指示選項。4線模式還支持CNV（轉(zhuǎn)換輸入）的獨立回讀時序，使得多個轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)同步采樣。
本參考設(shè)計使用的PMOD兼容接口實現(xiàn)了簡單的3線模式，SDI接高電平VIO。VIO電壓是由SDP-PMOD轉(zhuǎn)接板從外部提供。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，以便運行軟件、評估性能。
電源
本參考設(shè)計的 +5 V和 −2.5 V供電軌需要外部低噪聲電源。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。這樣便不再需要額外的供電軌——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。如果邏輯電平兼容，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，以實現(xiàn)最高的靈活性。
圖6. 從基準(zhǔn)電壓緩沖器為ADC供電。
175°C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: 30 µA × 5 V = 0.15 mW
AD8634：（1 mA × 2個放大器）× 7.5 V = 15 mW
AD7981: 4.65 mW @ 600 kSPS
總功耗 = 19.8 mW
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175°C塑料封裝采用一種特殊材料。
耐高溫封裝的一個主要失效機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. 195°C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195°C、6000小時的浸泡式認(rèn)證測試，已被證明非常可靠，如圖8所示。
圖8. 195°C下6000小時后OPM墊上的金球焊。
雖然ADI公司已證明焊接在195°C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175°C。除了本電路所用的額定175°C產(chǎn)品，還有采用陶瓷FLATPACK封裝的額定210°C型號可用。同時有已知良品裸片 (KGD) 可供需要定制封裝的系統(tǒng)使用。
對于高溫 (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175°C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165°C，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。對于生產(chǎn)組裝而言，有多個供應(yīng)商提供用于HT額定連接器的多個選項，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)，ADC IC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。基準(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)來確保可靠性。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140°C。超過140°C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240°C。本設(shè)計使用4層聚酰亞胺PCB。
PCB表面也需要注意，特別是配合含錫的焊料使用時，因為這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，其中鎳提供一個壁壘，金則為接頭焊接提供一個良好的表面。此外，應(yīng)當(dāng)使用高熔點焊料，熔點與系統(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，其熔點為217°C，相對于175°C的最高工作溫度有42°C的裕量。
性能預(yù)期
采用 1 kHz 輸入正弦信號和 5 V 基準(zhǔn)電壓時，AD7981 的額定 SNR 典型值為 91 dB。然而，當(dāng)使用較低基準(zhǔn)電壓（比如 2.5 V，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4.2 nV/Hz，電流噪聲密度為 0.6 pA/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2.5 V基準(zhǔn)電壓源典型信噪比（SNR，86 dB）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 (25°C) 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25°C至185°C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Audio Precision SYS-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86 dB的SNR。該值與我們在室溫下測出的86.2 dB SNR相當(dāng)，如圖11中的FFT摘要所示。
圖11. 1 kHz輸入信號音、580 kSPS、25℃時的交流性能。
評估電路溫度性能時，175°C時的SNR性能僅降低至約84 dB，如圖12所示。THD仍然優(yōu)于 −100 dB，如圖13所示。本電路在175°C時的FFT摘要如圖14所示。
圖12. SNR隨溫度的變化（1 kHz輸入信號音、580 kSPS）。
圖13. THD隨溫度的變化（1 kHz輸入信號音、580 kSPS）。
圖14. 1 kHz輸入信號音、580 kSPS、175℃時的交流性能。
小結(jié)
本文中，我們提供了一個新的高溫數(shù)據(jù)采集參考設(shè)計，表述了室溫至175°C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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