適用于高溫電子應(yīng)用的低功耗數(shù)據(jù)采集解決方案

作者：Jeff Watson and Maithil Pachchigar

越來越多的應(yīng)用要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須在非常高的環(huán)境環(huán)境中可靠運行，例如井下石油和天然氣鉆探、航空電子設(shè)備和汽車。雖然這些行業(yè)的最終用途大不相同，但有幾個常見的信號調(diào)理需求。這些系統(tǒng)中的大多數(shù)需要從多個傳感器進行精確數(shù)據(jù)采集，或者需要高采樣率。此外，其中許多應(yīng)用具有嚴格的功率預(yù)算，因為它們由電池供電，或者不能容忍電子設(shè)備自發(fā)熱引起的額外溫升。因此，需要低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）信號鏈，在整個溫度范圍內(nèi)保持高精度，并可輕松用于各種場景。這種信號鏈如圖1所示，其中描述了井下鉆探儀器。

雖然額定溫度為175°C的商用IC數(shù)量仍然很少，但近年來數(shù)量正在增加，特別是在信號調(diào)理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等核心功能方面。這使電子工程師能夠快速可靠地針對高溫應(yīng)用進行設(shè)計，并實現(xiàn)過去無法實現(xiàn)的性能。雖然這些IC中的許多在溫度范圍內(nèi)具有良好的特性，但這往往僅限于該器件的功能。這些組件顯然缺乏電路級信息，無法展示在實際系統(tǒng)中實現(xiàn)高性能的最佳實踐。

在本文中，我們提出了一種新的高溫數(shù)據(jù)采集參考設(shè)計，其特性從室溫到175°C。 該電路旨在成為一個完整的數(shù)據(jù)采集電路構(gòu)建模塊，將接收模擬傳感器輸入，對其進行調(diào)理，并將其數(shù)字化為SPI串行數(shù)據(jù)流。它用途廣泛，可以用作單通道，也可以針對多通道同時采樣應(yīng)用進行擴展。認識到低功耗的重要性，ADC的功耗與采樣速率成線性關(guān)系。ADC也可以直接從基準電壓源供電，無需額外的電源軌和相關(guān)的電源轉(zhuǎn)換效率低下。該參考設(shè)計現(xiàn)成，便于設(shè)計人員進行測試，包括所有原理圖、物料清單、PCB 圖稿和測試軟件。

圖1.井下儀表數(shù)據(jù)采集信號鏈。

圖2.簡化的數(shù)據(jù)采集電路原理圖。

電路概述

圖1所示電路是一款16位、600 kSPS逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，采用額定溫度、特性和保證溫度為175°C的器件。 由于許多惡劣環(huán)境應(yīng)用都是電池供電的，因此信號鏈的設(shè)計具有低功耗，同時仍保持高性能。

本電路采用低功耗（4.65 mW @ 600 kSPS）、高溫PulSAR ADCAD7981，直接由高溫、低功耗運算放大器AD8634驅(qū)動。AD7981 ADC需要一個2.4 V至5.1 V的外部基準電壓源，在本應(yīng)用中，選擇的基準電壓源是微功耗ADR225精密2.5 V基準電壓源，該基準電壓源也適合高溫工作，在210°C時具有極低的靜態(tài)電流（最大值為60 μA）。 該設(shè)計中的所有IC都具有專為高溫環(huán)境設(shè)計的封裝，包括單金屬引線鍵合。?

模數(shù)轉(zhuǎn)換器

本電路的核心是AD7981，這是一款16位、低功耗、單電源ADC，采用逐次逼近架構(gòu)（SAR），采樣速率高達600 kSPS。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 引腳允許與 1.8 V 至 5.0 V 之間的任何邏輯直接接口。VDD和VIO引腳也可以連接在一起，以節(jié)省系統(tǒng)中所需的電源數(shù)量，并且它們與電源排序無關(guān)。簡化的連接圖如圖 3 所示。

AD7981在600 kSPS時的典型功耗僅為4.65 mW，并在兩次轉(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關(guān)系，使ADC非常適合高采樣速率和低采樣速率（甚至低至幾Hz），并為電池供電系統(tǒng)實現(xiàn)極低的功耗。此外，過采樣技術(shù)可用于提高低速信號的有效分辨率。

圖3.AD7981應(yīng)用圖

AD7981采用偽差分模擬輸入結(jié)構(gòu)，可對IN+和IN?輸入之間的真差分信號進行采樣，并抑制兩個輸入共有的信號。IN+輸入可以接受0 V至V的單極性單端輸入信號裁判，IN?輸入的GND至100 mV范圍有限。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。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器驅(qū)動器

AD7981的輸入可以直接由低阻抗源驅(qū)動，但高源阻抗會顯著降低交流性能，尤其是總諧波失真（THD）。因此，建議使用ADC驅(qū)動器或運算放大器（如AD8634）來驅(qū)動AD7981的輸入，如圖4所示。在采集時間開始時，開關(guān)閉合，容性DAC在ADC輸入上注入電壓毛刺（反沖）。ADC驅(qū)動器有助于解決這種反沖，并將其與信號源隔離。

低功耗（每個放大器1 mA）雙通道精密運算放大器AD8634非常適合此任務(wù)，因為其出色的直流和交流規(guī)格非常適合傳感器信號調(diào)理和信號鏈中的其他應(yīng)用。雖然AD8634具有軌到軌輸出，但輸入端的正負供電軌需要300 mV裕量。這就需要負電源，選擇為–2.5 V。AD8634采用額定溫度為175°C的8引腳SOIC封裝和額定溫度為210°C的8引腳扁平封裝。

圖4.ADC前端放大器電路。

ADC驅(qū)動器和AD7981之間的RC濾波器用于衰減AD7981輸入端注入的反沖，并限制進入其輸入端的噪聲。然而，過多的頻帶限制會增加建立時間和失真。因此，找到該濾波器的最佳RC值非常重要。計算主要基于輸入頻率和吞吐率。

來自AD7981數(shù)據(jù)手冊，內(nèi)部采樣電容C在= 30 pF和tCONV = 900 ns，如上所述，對于10 kHz輸入信號，假設(shè)ADC以600 kSPS和C工作內(nèi)線= 2.7 nF，2.5 V基準電壓源的電壓階躍為：

因此，在16位時穩(wěn)定為1/2 LSB所需的時間常數(shù)為：

AD7981的采集時間為

然后，我們可以使用以下公式計算RC濾波器的帶寬：

這是一個具有一階近似的理論值，應(yīng)在實驗室中驗證。我們通過測試確定最佳值為 R內(nèi)線= 85 Ω 和 C內(nèi)線= 2.7 nF （f–3分貝= 693.48 kHz），在擴展至175°C的溫度范圍內(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)動器的增益將降低驅(qū)動器的帶寬并延長建立時間。在這種情況下，可能需要降低ADC的吞吐量，或者在增益級之后使用額外的緩沖器作為驅(qū)動器。

電壓基準

2.5 V基準電壓源ADR225在210°C時的最大靜態(tài)電流僅為60 μA，漂移極低，典型值為40 ppm/°C，是該低功耗數(shù)據(jù)采集電路的理想器件。其初始精度為 ±0.4%，可在 3.3 V 至 16 V 的寬電源范圍內(nèi)工作。

與其他SAR ADC一樣，AD7981的基準電壓源輸入具有動態(tài)輸入阻抗，因此應(yīng)由低阻抗源驅(qū)動，并在REF引腳和GND之間實現(xiàn)高效去耦，如圖5所示。除ADC驅(qū)動器應(yīng)用外，AD8634還非常適合用作基準電壓緩沖器。

使用基準電壓緩沖器的另一個優(yōu)點是，通過增加一個低通RC濾波器，可以進一步降低基準電壓輸出端的噪聲，如圖5所示。本電路采用49.9 Ω電阻和47 μF電容，截止頻率約為67 Hz。

圖5.SAR ADC 基準電壓緩沖器和 RC 濾波器。

在轉(zhuǎn)換過程中，AD7981基準輸入端可能會出現(xiàn)高達2.5 mA的電流尖峰。一個高值儲能電容放置在盡可能靠近基準輸入的位置，以提供該電流并保持較低的基準輸入噪聲。通常，使用低ESR（10 μF或更高）陶瓷電容器，但對于高溫應(yīng)用，由于缺乏高值高溫陶瓷電容器，這是有問題的。因此，選擇了對電路性能影響最小的低ESR 47 μF鉭電容。

數(shù)字接口

AD7981提供靈活的串行數(shù)字接口，兼容SPI、QSPI和其他數(shù)字主機。該接口可配置為簡單的 3 線模式以實現(xiàn)最低的 I/O 數(shù)量，或配置為 4 線模式，允許選擇菊花鏈回讀和忙指示。4線模式還允許從CNV（轉(zhuǎn)換輸入）獨立回讀時序，從而實現(xiàn)與多個轉(zhuǎn)換器同時采樣。

此參考設(shè)計中使用的 Pmod 兼容接口實現(xiàn)了簡單的 3 線模式，SDI 與 VIO 連接較高。VIO 電壓由 SDP-PMOD 內(nèi)插器板從外部提供。內(nèi)插器板將參考設(shè)計板連接到ADI公司系統(tǒng)開發(fā)平臺（SDP）板，并允許通過USB連接到PC，以便運行軟件來評估性能。

電源

該參考設(shè)計需要用于+5 V和–2.5 V電源軌的外部低噪聲電源。由于AD7981功耗低，因此可以直接由基準電壓緩沖器供電。這消除了對額外電源軌的需求，從而節(jié)省了電源和電路板空間。從基準電壓緩沖器為ADC供電的正確配置如圖6所示。如果邏輯電平兼容，也可以提供VIO。對于參考設(shè)計板，VIO通過Pmod兼容接口從外部提供，以實現(xiàn)最大的靈活性。

圖6.從基準電壓緩沖器供電ADC。

整個數(shù)據(jù)采集解決方案在175°C下的典型總功耗計算如下：

ADR225：5 V = 0.15 mW × 30 μA

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

集成電路封裝和可靠性

ADI公司高溫產(chǎn)品組合中的器件經(jīng)過特殊的工藝流程，包括設(shè)計、特性、可靠性認證和生產(chǎn)測試。該過程的一部分包括專門為極端溫度設(shè)計的特殊包裝。該電路中的175°C塑料封裝使用了特殊的材料組。

高溫封裝中的主要失效機制之一是鍵合線對焊盤界面，特別是當金（Au）和鋁（Al）金屬混合時，這在塑料封裝中很常見。溫度升高會加速鋁金屬間化合物的生長。正是這些金屬間化合物與粘結(jié)失效有關(guān)，例如脆性鍵和空洞，如圖7所示，這些失效可能在幾百小時內(nèi)發(fā)生。

圖7.鋁墊上的金球鍵合，在 195°C 下放置 500 小時。

為了避免這些故障，ADI公司使用過焊盤金屬化（OPM）工藝創(chuàng)建金鍵合焊盤表面，以便連接金鍵合線。這種單金屬系統(tǒng)不會形成金屬間化合物，并且在鑒定測試中被證明是可靠的，在195°C下浸泡超過6000小時，如圖8所示。

圖8.OPM焊盤上的金球鍵合，在195°C下放置6000小時。

盡管ADI公司在195°C下顯示出可靠的粘合性能，但由于模塑料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，塑料封裝的額定工作溫度僅為175°C。除了該電路上使用的額定溫度為 175°C 的產(chǎn)品外，額定溫度為 210°C 的型號還提供陶瓷扁平封裝。已知良好的芯片（KGD）也可用于需要定制封裝的系統(tǒng)。

ADI公司針對高溫（HT）產(chǎn)品制定了全面的可靠性認證計劃，其中包括高溫工作壽命（HTOL），器件偏置在最高工作溫度下。HT 產(chǎn)品是數(shù)據(jù)手冊，規(guī)定在最高額定溫度下至少 1000 小時。全面生產(chǎn)測試是保證制造的每個設(shè)備性能所需的最后一步。ADI公司高溫產(chǎn)品組合中的每個器件都在高溫下進行了生產(chǎn)測試，以確保滿足性能要求。

無源元件

選擇的無源元件應(yīng)具有高溫等級。對于這種設(shè)計，使用了>175°C的薄膜、低TCR電阻。COG/NPO電容器用于低值濾波器和去耦應(yīng)用，并且在整個溫度范圍內(nèi)具有非常平坦的系數(shù)。耐高溫鉭電容器的數(shù)值大于陶瓷，通常用于電源濾波。該板上使用的SMA連接器的額定溫度為165°C，因此應(yīng)將其移除，以便在高溫下進行長時間測試。同樣，0.1“ 針座連接器（J2 和 P3）上的絕緣材料只能在高溫下短時間使用，但也應(yīng)去除以進行長時間的高溫測試。對于生產(chǎn)組件，有多個供應(yīng)商的 HT 級連接器可供選擇，例如 Micro-D 型連接器。

印刷電路板布局和組裝

該電路的PCB設(shè)計使模擬信號和數(shù)字接口位于ADC的不同側(cè)，沒有開關(guān)信號在ADC IC下方或模擬信號路徑附近運行。這種設(shè)計最大限度地減少了耦合到ADC芯片并支持模擬信號鏈的噪聲量。AD7981的引腳排列，所有模擬信號在左側(cè)，所有數(shù)字信號在右側(cè)，簡化了這一任務(wù)。基準電壓輸入REF具有動態(tài)輸入阻抗，應(yīng)以最小的寄生電感去耦，這是通過將基準去耦電容盡可能靠近REF和GND引腳，并通過寬的低阻抗走線與引腳進行連接來實現(xiàn)的。該板的布局專門設(shè)計為僅在電路板頂部設(shè)置組件，以便于在溫度范圍內(nèi)進行測試，其中熱量將從電路板底部施加。完整組件的照片如圖 9 所示。有關(guān)進一步布局建議，請參見AD7981數(shù)據(jù)手冊。

圖9.參考設(shè)計電路組件。

對于高溫電路，應(yīng)使用特殊的電路材料和組裝技術(shù)來確?？煽啃?。FR4 是用于 PCB 層壓板的常用材料， 但商業(yè)級 FR4 的典型玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為 140°C. 高于 140°C， PCB 將開始分解， 分層， 并對組件造成應(yīng)力.聚酰亞胺是高溫組件的廣泛使用的替代品，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度通常大于240°C。 該設(shè)計使用了四層聚酰亞胺PCB.

PCB表面也是一個問題，特別是當與含錫焊料一起使用時，因為傾向于與銅跡線形成青銅金屬間化合物。通常使用鎳金表面光潔度，其中鎳提供屏障，金為焊點鍵合提供良好的表面。使用高熔點焊料時，應(yīng)在系統(tǒng)的熔點和最高工作溫度之間留出良好的裕量。該組件選擇了SAC305無鉛焊料。熔點為217°C，與最高工作溫度175°C相比有42°C的余量。

性能預(yù)期

AD7981的典型SNR為91 dB，輸入音為1 kHz，基準電壓源為5 V。但是，當使用低基準電壓（如2.5 V）時，這在低功耗/低壓系統(tǒng)中很常見，預(yù)計SNR會有所下降。我們可以根據(jù)電路中使用的元件規(guī)格來計算理論SNR。根據(jù)AD8634放大器數(shù)據(jù)手冊，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AD8634的噪聲增益為1，假設(shè)電流噪聲計算的串聯(lián)輸入電阻可以忽略不計，AD8634的等效輸出噪聲貢獻為：

ADC輸入端的總積分噪聲

（RC濾波器后

） 將是：

AD7981的均方根噪聲可通過數(shù)據(jù)手冊中2.5 V基準電壓源的典型SNR為86 dB計算得出。

整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總均方根噪聲可以使用AD8634和AD7981噪聲源的和方根（RSS）計算：

因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在室溫（25°C）下的理論信噪比可以估算如下：

測試結(jié)果

在25°C至185°C的溫度范圍內(nèi)評估了電路的交流性能。 使用低失真信號發(fā)生器來表征性能至關(guān)重要。對于此測試，使用了音頻精度SYS-2522。為了便于在烘箱中進行測試，我們組裝了擴展線束，以便只有參考設(shè)計電路暴露在高溫下。測試設(shè)置的框圖如圖10所示。

圖 10.表征測試設(shè)置。

根據(jù)我們在先前設(shè)置中的計算，我們預(yù)計在室溫下可實現(xiàn)約86 dB SNR。這與我們在室溫下的86.2 dB SNR測量值相比很好，如圖11中的FFT摘要所示。

圖 11.交流性能，輸入音調(diào)為 1 kHz，580 kSPS，25°C。

當該電路在整個溫度范圍內(nèi)進行評估時，SNR性能僅在175°C時降至約84 dB，如圖12所示。THD仍然優(yōu)于–100 dB，如圖13所示。175°C時電路的FFT匯總?cè)鐖D14所示。

圖 12.整個溫度的信噪比，1 kHz 輸入音，580 kSPS。

圖 13.在整個溫度范圍內(nèi)的 THD，1 kHz 輸入音，580 kSPS。

圖 14.交流性能，輸入音調(diào)為 1 kHz，580 kSPS，175°C。

總結(jié)

在本文中，我們介紹了一種新的高溫數(shù)據(jù)采集參考設(shè)計，其特性從室溫到175°C。 該電路是一款完整的低功耗（<20 mW）數(shù)據(jù)采集電路構(gòu)建模塊，將接收模擬傳感器輸入、調(diào)理并將其數(shù)字化為SPI串行數(shù)據(jù)流。該參考設(shè)計現(xiàn)成，便于設(shè)計人員進行測試，包括所有原理圖、物料清單、PCB 圖稿、測試軟件和文檔。

審核編輯：郭婷