史上最牛：一款高性能低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)詳解

電路功能與優(yōu)勢

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。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(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(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。

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(shí)最大值為60μA)。

本電路使用低功耗(600 kSPS時(shí)為4.65μA)、耐高溫PulSAR ADC AD7981，它直接從耐高溫、低功耗運(yùn)算放大器AD8634驅(qū)動(dòng)。

本設(shè)計(jì)中的所有IC封裝都是專門針對(duì)高溫環(huán)境而設(shè)計(jì)，包括單金屬線焊。此外，本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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)序無關(guān)。

在兩次轉(zhuǎn)換之間，AD7981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，可以使用過采樣技術(shù)來提高低速信號(hào)的有效分辨率。

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.圖2給出了連接示意圖。

圖2. AD7981連接圖

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)來驅(qū)動(dòng)AD7981輸入，如圖3所示。在采集時(shí)間開始時(shí)，開關(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，并將其與信號(hào)源相隔離。

低功耗(1.3 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。

此裕量要求使得負(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3. SAR ADC前端放大器和RC濾波器

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，過大的限帶可能會(huì)增加建立時(shí)間和失真。最佳RC值的計(jì)算主要基于輸入頻率和吞吐速率。對(duì)于所示實(shí)例，R = 85Ω且C = 2.7 nF是最佳值，產(chǎn)生693 kHz的截止頻率。詳細(xì)計(jì)算參見Analog Dialogue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(shè)計(jì)。

本電路中，ADC驅(qū)動(dòng)器為單位增益緩沖配置。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60μA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。ADR225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4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增加一個(gè)低通RC濾波器來進(jìn)一步降低。在該電路中，49.9Ω電阻和47μF電容提供大約67 Hz的截止頻率。

圖4. 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。通常使用低ESR、 10μF或更大的陶瓷電容，但對(duì)于高溫應(yīng)用，沒有陶瓷電容可用。因此，選擇一個(gè)低ESR、47μF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單的3線模式以實(shí)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(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)接板從外部提供。[!--empirenews.page--]

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。AD7981是低功耗器件，可由基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓緩沖器為ADC基準(zhǔn)電壓源供電

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)、特性測試、可靠性認(rèn)證和生產(chǎn)測試。專門針對(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。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6所示。

圖6. 195°C時(shí)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195°C、6000小時(shí)的浸泡式認(rèn)證測試，已被證明非?？煽?，如圖7所示。

圖7. 195°C時(shí)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，高溫產(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)測試，確保達(dá)到性能要求。

無源元件

必須選擇耐高溫的無源元件。本設(shè)計(jì)使用175°C以上的薄膜型低TCR電阻。COG/NPO電容用于低值濾波器和去耦應(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(shí)間測試時(shí)，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(shí)只能持續(xù)較短時(shí)間，因而在長時(shí)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(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)，IC之下或模擬信號(hào)路徑附近無開關(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化設(shè)計(jì)?；鶞?zhǔn)電壓輸入REF具有動(dòng)態(tài)輸入阻抗，必須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。關(guān)于其他布局布線建議，參見AD7981數(shù)據(jù)手冊(cè)。

針對(duì)高溫電路，必須采用特殊電路材料和裝配技術(shù)來確?？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140°C時(shí)，PCB便開始破裂、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，必須使用高熔點(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 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輸入信號(hào)音和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)電影所時(shí)(低功耗/低電壓系統(tǒng)常常如此)，SNR性能會(huì)有所下降。根據(jù)AD7981數(shù)據(jù)手冊(cè)中的性能曲線，在室溫和2.5 V基準(zhǔn)電壓時(shí)，預(yù)期SNR約為86 dB.該SNR值與室溫時(shí)測試本電路所實(shí)現(xiàn)的性能(約86 dB SNR)符合得很好，如圖8所示。

圖8. 1 kHz輸入信號(hào)音、580 kSPS、25°C時(shí)的交流性能

當(dāng)溫度升高至175°C時(shí)，SNR性能僅降低至約84 dB，如圖9所示。THD仍然優(yōu)于?100 dB，如圖10所示。本電路在175°C時(shí)的FFT摘要如圖11所示。

圖9. SNR隨溫度的變化(1 kHz輸入信號(hào)音、580 kSPS)

圖10. THD隨溫度的變化(1 kHz輸入信號(hào)音、580 kSPS)

圖11. 1 kHz輸入信號(hào)音、580 kSPS、175°C時(shí)的交流性能

電路評(píng)估與測試

本電路采用EVAL-CN0365-PMDZ電路板、SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板和EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺(tái)(SDP)板。轉(zhuǎn)接板和SDP板采用120引腳對(duì)接連接器。轉(zhuǎn)接板和EVAL-CN0365-PMDZ板采用12引腳PMOD對(duì)接連接器，可快速進(jìn)行設(shè)置和評(píng)估電路性能。EVAL-CN0365-PMDZ板包含要評(píng)估的電路(如CN-0365所述)，SDP評(píng)估板與CN-0365評(píng)估軟件配合使用。[!--empirenews.page--]

設(shè)備要求

需要以下設(shè)備：

。EVAL-CN0365-PMDZ板

。系統(tǒng)演示平臺(tái)(EVAL-SDP-CB1Z)

。PMOD/SDP轉(zhuǎn)接板(SDP-PMD-IB1Z)

。CN-0365評(píng)估軟件

。函數(shù)發(fā)生器/信號(hào)源，例如這些測試中使用的Audio Precision SYS-2522

。電源：+5 V和?2.5 V

。電源：+6 V壁式電源適配器(EVAL-CFTL-6V-PWRZ)

。帶USB端口和USB線纜的PC，運(yùn)行Windows? XP (SP2)、Windows Vista或Windows 7 Business/Enterprise/Ultimate版(32位或64位)

開始使用

要開始使用，請(qǐng)執(zhí)行以下步驟：

1.從ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0365下載CN-0365評(píng)估軟件到PC.

2.先安裝該軟件，再將SDP板連接到PC的USB端口，確保PC正確識(shí)別SDP板。

3.解壓縮下載的文件。

4.運(yùn)行setup.exe文件。

5.按照屏幕提示操作，完成安裝。建議將所有軟件安裝在默認(rèn)位置。

功能框圖

圖12所示為測試設(shè)置的功能框圖。

設(shè)置

設(shè)置電路的步驟如下：

1.通過直流管式插孔將EVAL-CFTL-6V-PWRZ(+6 V直流電源)連接到SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板。

2.通過120引腳CON A連接器將SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板連接到EVAL-SDP-CB1Z SDP板。

3.通過USB電纜將EVAL-SDP-CB1Z SDP板連接到PC.

4.通過12引腳接頭PMOD連接器將EVAL-CN0365-PMDZ評(píng)估板連接到SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板。

5.將+5 V (VS+)和?2.5 V (VS?)電源連接到EVAL-CN0365-PMDZ P3接頭。默認(rèn)配置中，VDD電壓(2.5 V)不需要外部連接，因?yàn)樗窃诎迳袭a(chǎn)生。

6.通過SMA連接器將信號(hào)源連接到EVAL-CN0365-PMDZ.

7.將Audio Precision SYS-2522(或同等信號(hào)發(fā)生器)設(shè)置為1 kHz頻率和2.5 V p-p正弦波，并具有1.25 V直流偏移。

測試

啟動(dòng)評(píng)估軟件。如果Windows設(shè)備管理器中出現(xiàn)“Analog Devices System Development Platform(ADI系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái))”驅(qū)動(dòng)器，軟件便能與SDP板通信。USB通信建立之后，便可使用評(píng)估軟件測試、查看、保存電路性能指標(biāo)。

關(guān)于軟件操作的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱UG-340和評(píng)估8/10引腳PulSAR?系列14/16/18位ADC wiki頁面。

在環(huán)境室中進(jìn)行溫度測試時(shí)，可使用延長線(未提供)連接模擬輸入、電源和PMOD.這些延長線必須盡可能短，并且必須采用最佳做法以避免噪聲。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(shí)間測試時(shí)，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(shí)只能持續(xù)較短時(shí)間，因而在長時(shí)間高溫測試中也必須予以移除。

EVAL-CN0365-PMDZ板照片如圖13所示。

圖12.用于測量交流性能的電路測試設(shè)置

圖13. EVAL-CN0365-PMDZ電路板的照片