【導(dǎo)讀】越來(lái)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(chē)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(hào)調(diào)理需求卻是共同的。這些系統(tǒng)的主要部分要求對(duì)多個(gè)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?chē)?yán)格的功率預(yù)算，因?yàn)樗鼈儾捎秒姵毓╇?，或者無(wú)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(chǎng)景的低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 信號(hào)鏈。這類(lèi)信號(hào)鏈見(jiàn)圖1；該圖描繪了一個(gè)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(lái)這一數(shù)量正在增加，尤其是諸如信號(hào)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(jì)用于高溫應(yīng)用的產(chǎn)品，并完成過(guò)去無(wú)法實(shí)現(xiàn)的性能。雖然很多這類(lèi)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(jí)信息，使其無(wú)法在現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)最佳性能。
本文中，我們提供了一個(gè)新的高溫?cái)?shù)據(jù)采集參考設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)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(gè)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(duì)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(jì)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(shí)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(wú)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(jì)是現(xiàn)成的，可方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行測(cè)試，包含全部原理圖、物料清單、PCB布局圖和測(cè)試軟件。
圖1. 井下儀器數(shù)據(jù)采集信號(hào)鏈。
圖2. 數(shù)據(jù)采集電路簡(jiǎn)化原理圖。
電路概覽
圖1所示電路是一個(gè)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(cè)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(hào)鏈針對(duì)低功耗而設(shè)計(jì)，同時(shí)仍然保持高性能。
本電路使用低功耗（600 kSPS時(shí)為4.65 mW）、耐高溫PulSAR® ADCAD7981，它直接從耐高溫、低功耗運(yùn)算放大器AD8634驅(qū)動(dòng)。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(guò)了高溫工作認(rèn)證，并具有非常低的靜態(tài)電流（210°C時(shí)最大值為60 μA）。本設(shè)計(jì)中的所有IC封裝都是專(zhuān)門(mén)針對(duì)高溫環(huán)境而設(shè)計(jì)，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(gè)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(shí)序無(wú)關(guān)。圖3給出了連接示意圖。
AD7981在600 kSPS時(shí)功耗典型值僅為4.65 mW，并能在兩次轉(zhuǎn)換之間自動(dòng)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(duì)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(guò)采樣技術(shù)來(lái)提高低速信號(hào)的有效分辨率。
圖3. AD7981應(yīng)用圖。
AD7981有一個(gè)偽差分模擬輸入結(jié)構(gòu)，可對(duì)IN+ 與IN− 輸入之間的真差分信號(hào)進(jìn)行采樣，并抑制這兩個(gè)輸入共有的信號(hào)。IN+ 輸入支持0 V至VREF的單極性、單端輸入信號(hào)，IN− 輸入的范圍受限，為GND至100 mV。AD7981的偽差分輸入簡(jiǎn)化了ADC驅(qū)動(dòng)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(dòng)器
AD7981的輸入可直接從低阻抗信號(hào)源驅(qū)動(dòng)；然而，高源阻抗會(huì)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(dòng)器或運(yùn)算放大器（如AD8634）來(lái)驅(qū)動(dòng)AD7981輸入，如圖4所示。在采集時(shí)間開(kāi)始時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，容性DAC在ADC輸入端注入一個(gè)電壓毛刺（反沖）。ADC驅(qū)動(dòng)器幫助此反沖穩(wěn)定下來(lái)，并將其與信號(hào)源相隔離。
低功耗（1 mA/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?duì)傳感器信號(hào)調(diào)理和信號(hào)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(dòng)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(guò)，過(guò)大的限帶可能會(huì)增加建立時(shí)間和失真。因此，為該濾波器找到最優(yōu)RC值很重要。其計(jì)算主要基于輸入頻率和吞吐速率。
由AD7981數(shù)據(jù)手冊(cè)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(duì)于10 kHz輸入信號(hào)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(shí)間常數(shù)數(shù)量為：
AD7981的采集時(shí)間為：
通過(guò)下式可計(jì)算RC濾波器的帶寬：
這是一個(gè)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(guò)測(cè)試可知最優(yōu)值為REXT = 85 Ω和CEXT = 2.7 nF (f–3dB = 693.48 kHz)，此時(shí)在高達(dá)175°C的擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)具有出色的性能。
在參考設(shè)計(jì)中，ADC驅(qū)動(dòng)器采用單位增益緩沖器配置。增加ADC驅(qū)動(dòng)器增益會(huì)降低驅(qū)動(dòng)器帶寬，延長(zhǎng)建立時(shí)間。這種情況下可能需要降低ADC吞吐速率，或者在增益級(jí)之后再使用一個(gè)緩沖器作為驅(qū)動(dòng)器。
基準(zhǔn)電壓源
ADR225 2.5 V基準(zhǔn)電壓源在時(shí)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(dòng)態(tài)輸入阻抗，因此必須利用低阻抗源驅(qū)動(dòng)，REF引腳與GND之間應(yīng)有效去耦，如圖5所示。除了ADC驅(qū)動(dòng)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(gè)好處是，基準(zhǔn)電壓輸出端噪聲可通過(guò)增加一個(gè)低通RC濾波器來(lái)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(gè)大容值儲(chǔ)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(duì)于高溫應(yīng)用來(lái)說(shuō)會(huì)有問(wèn)題，因?yàn)槿鄙倏捎玫母邤?shù)值、高溫陶瓷電容。因此，選擇一個(gè)低ESR、47 μF鉭電容，其對(duì)電路性能的影響極小。
數(shù)字接口
AD7981提供一個(gè)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(jiǎn)單的3線模式以實(shí)現(xiàn)最少的I/O數(shù)，也可配置為4線模式以提供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(shí)序，使得多個(gè)轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)同步采樣。
本參考設(shè)計(jì)使用的PMOD兼容接口實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)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(jì)板與ADI系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái) (SDP) 板相連，并可通過(guò)USB連接PC，以便運(yùn)行軟件、評(píng)估性能。
電源
本參考設(shè)計(jì)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(guò)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(guò)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(jì)板而言，VIO通過(guò)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。
175°C時(shí)，整個(gè)數(shù)據(jù)采集解決方案的典型總功耗可計(jì)算如下：
ADR225: 30 µA × 5 V = 0.15 mW
AD8634：（1 mA × 2個(gè)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(jì)、特性測(cè)試、可靠性認(rèn)證和生產(chǎn)測(cè)試。專(zhuān)門(mén)針對(duì)極端溫度設(shè)計(jì)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(gè)主要失效機(jī)制是焊線與焊墊界面失效，尤其是金 (Au) 和鋁 (Al) 混合時(shí)（塑料封裝通常如此）。高溫會(huì)加速AuAl金屬間化合物的生長(zhǎng)。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(shí)之后就會(huì)發(fā)生，如圖7所示。
圖7. 195°C下500小時(shí)后鋁墊上的金球焊。
為了避免失效，ADI公司利用焊盤(pán)金屬化 (OPM) 工藝產(chǎn)生一個(gè)金焊墊表面以供金焊線連接。這種單金屬系統(tǒng)不會(huì)形成金屬間化合物，經(jīng)過(guò)195°C、6000小時(shí)的浸泡式認(rèn)證測(cè)試，已被證明非?？煽?，如圖8所示。
圖8. 195°C下6000小時(shí)后OPM墊上的金球焊。
雖然ADI公司已證明焊接在195°C時(shí)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(hào)可用。同時(shí)有已知良品裸片 (KGD) 可供需要定制封裝的系統(tǒng)使用。
對(duì)于高溫 (HT) 產(chǎn)品，ADI公司有一套全面的可靠性認(rèn)證計(jì)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(cè)規(guī)定，HT產(chǎn)品在最高額定溫度下最少可工作1000小時(shí)。全面生產(chǎn)測(cè)試是保證每個(gè)器件性能的最后一步。ADI高溫系列中的每個(gè)器件都在高溫下進(jìn)行生產(chǎn)測(cè)試，確保達(dá)到性能要求。
無(wú)源元件
應(yīng)當(dāng)選擇耐高溫的無(wú)源元件。本設(shè)計(jì)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(zhǎng)時(shí)間測(cè)試時(shí)，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(shí)只能持續(xù)較短時(shí)間，因而在長(zhǎng)時(shí)間高溫測(cè)試中也應(yīng)當(dāng)予以移除。對(duì)于生產(chǎn)組裝而言，有多個(gè)供應(yīng)商提供用于HT額定連接器的多個(gè)選項(xiàng)，比如Micro-D類(lèi)連接器。
PCB布局和裝配
在本電路的PCB設(shè)計(jì)中，模擬信號(hào)和數(shù)字接口位于ADC的相對(duì)兩側(cè)，ADC IC之下或模擬信號(hào)路徑附近無(wú)開(kāi)關(guān)信號(hào)。這種設(shè)計(jì)可以最大程度地降低耦合到ADC芯片和輔助模擬信號(hào)鏈中的噪聲。AD7981的所有模擬信號(hào)位于左側(cè)，所有數(shù)字信號(hào)位于右側(cè)，這種引腳排列可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。基準(zhǔn)電壓輸入REF具有動(dòng)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(cè)試。完整的組件如圖9所示。關(guān)于其它布局布線建議，參見(jiàn)AD7981數(shù)據(jù)手冊(cè)。
圖9. 參考設(shè)計(jì)電路組件。
針對(duì)高溫電路，應(yīng)當(dāng)采用特殊電路材料和裝配技術(shù)來(lái)確?？煽啃浴R4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(guò)140°C時(shí)，PCB便開(kāi)始破裂、分層，并對(duì)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(jì)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(shí)，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，其中鎳提供一個(gè)壁壘，金則為接頭焊接提供一個(gè)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(wú)鉛焊料，其熔點(diǎn)為217°C，相對(duì)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(hào)和 5 V 基準(zhǔn)電壓時(shí)，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(huì)有所下降。我們可以根據(jù)電路中使用的元件規(guī)格計(jì)算理論 SNR。由 AD8634 放大器數(shù)據(jù)手冊(cè)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(jì)算時(shí)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(cè)中的2.5 V基準(zhǔn)電壓源典型信噪比（SNR，86 dB）計(jì)算得到。
整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總均方根噪聲可通過(guò)AD8634和AD7981噪聲源的方和根 (RSS) 計(jì)算：
因此，室溫 (25°C) 時(shí)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)理論SNR可根據(jù)下式近似計(jì)算：
測(cè)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(píng)估。使用低失真信號(hào)發(fā)生器對(duì)性能進(jìn)行特性化很重要。本測(cè)試使用Audio Precision SYS-2522。為了便于在烤箱中測(cè)試，使用了延長(zhǎng)線，以便僅有參考設(shè)計(jì)電路暴露在高溫下。測(cè)試設(shè)置的功能框圖如圖10所示。
圖10. 特性測(cè)試設(shè)置。
由前文設(shè)置中的計(jì)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?cè)谑覝叵聹y(cè)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(hào)音、580 kSPS、25℃時(shí)的交流性能。
評(píng)估電路溫度性能時(shí)，175°C時(shí)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(shí)的FFT摘要如圖14所示。
圖12. SNR隨溫度的變化（1 kHz輸入信號(hào)音、580 kSPS）。
圖13. THD隨溫度的變化（1 kHz輸入信號(hào)音、580 kSPS）。
圖14. 1 kHz輸入信號(hào)音、580 kSPS、175℃時(shí)的交流性能。
小結(jié)
本文中，我們提供了一個(gè)新的高溫?cái)?shù)據(jù)采集參考設(shè)計(jì)，表述了室溫至175°C溫度范圍內(nèi)的特性。該電路是一個(gè)完整的低功耗 (
參考電路
Arkin, Michael, Jeff Watson, Michael Siu, and Michael Cusack. “用于極高溫度環(huán)境的精密模擬信號(hào)調(diào)理半導(dǎo)體。” 高溫電子網(wǎng)絡(luò)匯刊 (Proceeding from the High Temperature Electronics Network), 2013.
AD7981.
Digilent Pmod 規(guī)格.
Harman, George. 微電子的線焊. McGraw Hill,2010年2月。
Phillips，Reggie等人。"適合深井應(yīng)用的高溫陶瓷電容 (High Temperature Ceramic Capacitors for Deep Well Applications)。"CARTS 2013 國(guó)際會(huì)議論文集(CARTS International 2013 Proceedings)。2013年3月。Houston, TX.
Siewert, Thomas, Juan Carlos Madeni, and Stephen Liu. “電子制造業(yè)APEX研討會(huì)論文集無(wú)鉛焊料和銅基體之間界面的金屬間化合物的形成和生長(zhǎng).” Proceedings of the APEX Conference on Electronics Manufacturing, Anaheim, California, April, 2003年4月
Walsh, Alan. “精密SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前端放大器和RC濾波器設(shè)計(jì).” Analog Dialogue,模擬對(duì)話(huà)，第46卷第4期，2012年。
Walsh, Alan. “精密逐次逼近型ADC的基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì).” Analog Dialogue,模擬對(duì)話(huà)，第47卷第2期，2013年。
Watson, Jeff and Gustavo Castro. “高溫電子器件給設(shè)計(jì)和可靠性帶來(lái)挑戰(zhàn).” 模擬對(duì)話(huà)，第46卷第2期，2012年。
Zední?ek, Tomas, Zdeněk Sita, and Slavomir Pala. “適用于擴(kuò)展工作溫度范圍的鉭電容技術(shù).”
推薦閱讀：
