【導讀】本文詳解了一款能夠在極高溫度環(huán)境下，16位、600kSPS的低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計案例。本文從電路功能與優(yōu)勢、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、ADC驅(qū)動器、基準電壓源、無源元件、PCB布局設計等等方面入手，著重講解這款數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
電路功能與優(yōu)勢
越來越多的應用要求數(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、航空和汽車應用等。圖1所示電路是一個16位、600kSPS逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)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。很多此類惡劣環(huán)境應用都采用電池供電，因此該信號鏈針對低功耗而設計，同時仍然保持高性能。
AD7981ADC需要2.4V至5.1V的外部基準電壓源，本應用選擇的基準電壓源為微功耗2.5V精密基準源ADR225，后者也通過了高溫工作認證，并具有非常低的靜態(tài)電流（210°C時最大值為60μA）。
本電路使用低功耗（600kSPS時為4.65μA）、耐高溫PulSARADCAD7981，它直接從耐高溫、低功耗運算放大器AD8634驅(qū)動。
本設計中的所有IC封裝都是專門針對高溫環(huán)境而設計，包括單金屬線焊。此外，本設計說明了無源元件、印刷電路板(PCB)材料和建構(gòu)技術(shù)的選擇，以使其能在極端溫度下工作，并且提供了完整的設計支持包，包括物料清單、原理圖、裝配和布局文件。
圖1.耐高溫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）
電路描述
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。
在兩次轉(zhuǎn)換之間，AD7981自動關斷以節(jié)省功耗。因此，功耗與采樣速率成線性比例關系，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。
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175°C。圖2給出了連接示意圖。
圖2.AD7981連接圖
[page] 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3所示。在采集時間開始時，開關閉合，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（1.3mA/放大器）雙通道精密運算放大器AD8634適合此任務，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供電軌具有300mV裕量。
此裕量要求使得負電源成為必要，所選負電源為?2.5V。
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3.SARADC前端放大器和RC濾波器
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。最佳RC值的計算主要基于輸入頻率和吞吐速率。對于所示實例，R=85Ω且C=2.7nF是最佳值，產(chǎn)生693kHz的截止頻率。詳細計算參見AnalogDialogue文章：精密SAR型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前端放大器和RC濾波器設計。
本電路中，ADC驅(qū)動器為單位增益緩沖配置。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。
基準電壓源
ADR2252.5V基準電壓源在時210°C僅消耗最大60μA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。ADR225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一樣，AD7981的基準電壓輸入具有動態(tài)輸入阻抗，因此必須利用低阻抗源驅(qū)動，REF引腳與GND之間應有效去耦，如圖4所示。除了ADC驅(qū)動器應用，AD8634同樣適合用作基準電壓緩沖器。
使用基準電壓緩沖器的另一個好處是，基準電壓輸出端噪聲可通過增加一個低通RC濾波器來進一步降低。在該電路中，49.9Ω電阻和47μF電容提供大約67Hz的截止頻率。
圖4.SARADC基準電壓緩沖器和RC濾波器
轉(zhuǎn)換期間，AD7981基準電壓輸入端可能出現(xiàn)高達2.5mA的電流尖峰。在盡可能靠近基準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電壓輸入端噪聲保持較低水平。通常使用低ESR、10μF或更大的陶瓷電容，但對于高溫應用，沒有陶瓷電容可用。因此，選擇一個低ESR、47μF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)最少的輸入/輸出數(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。
本參考設計使用的PMOD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。
電源
本參考設計的+5V和?2.5V供電軌需要外部低噪聲電源。AD7981是低功耗器件，可由基準電壓緩沖器直接供電，如圖5所示，因而無需額外的供電軌，節(jié)省功耗和板空間。
圖5.從基準電壓緩沖器為ADC基準電壓源供電
[page] 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，包括設計、特性測試、可靠性認證和生產(chǎn)測試。專門針對極端溫度設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6所示。
圖6.195°C時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小時的浸泡式認證測試，已被證明非?？煽浚鐖D7所示。
圖7.195°C時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。
對于高溫產(chǎn)品，ADI公司有一套全面的可靠性認證計劃，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，高溫產(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行生產(chǎn)測試，確保達到性能要求。
無源元件
必須選擇耐高溫的無源元件。本設計使用175°C以上的薄膜型低TCR電阻。COG/NPO電容用于低值濾波器和去耦應用，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，在高溫下進行長時間測試時，必須將其移除。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必須予以移除。
PCB布局和裝配
在本電路的PCB設計中，模擬信號和數(shù)字接口位于ADC的相對兩側(cè)，IC之下或模擬信號路徑附近無開關信號。這種設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計?；鶞孰妷狠斎隦EF具有動態(tài)輸入阻抗，必須用極小的寄生電感去耦，為此須將基準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行溫度測試。關于其他布局布線建議，參見AD7981數(shù)據(jù)手冊。
針對高溫電路，必須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，必須使用高熔點焊料，熔點與系統(tǒng)最高工作溫度之間應有合適的裕量。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。
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