适用于高温电子应用的低功耗数据采集解决方案

作者：Jeff Watson and Maithil Pachchigar

越来越多的应用要求数据采集系统必须在非常高的环境环境中可靠运行，例如井下石油和天然气钻探、航空电子设备和汽车。虽然这些行业的最终用途大不相同，但有几个常见的信号调理需求。这些系统中的大多数需要从多个传感器进行精确数据采集，或者需要高采样率。此外，其中许多应用具有严格的功率预算，因为它们由电池供电，或者不能容忍电子设备自发热引起的额外温升。因此，需要低功耗模数转换器（ADC）信号链，在整个温度范围内保持高精度，并可轻松用于各种场景。这种信号链如图1所示，其中描述了井下钻探仪器。

虽然额定温度为175°C的商用IC数量仍然很少，但近年来数量正在增加，特别是在信号调理和数据转换等核心功能方面。这使电子工程师能够快速可靠地针对高温应用进行设计，并实现过去无法实现的性能。虽然这些IC中的许多在温度范围内具有良好的特性，但这往往仅限于该器件的功能。这些组件显然缺乏电路级信息，无法展示在实际系统中实现高性能的最佳实践。

在本文中，我们提出了一种新的高温数据采集参考设计，其特性从室温到175°C。 该电路旨在成为一个完整的数据采集电路构建模块，将接收模拟传感器输入，对其进行调理，并将其数字化为SPI串行数据流。它用途广泛，可以用作单通道，也可以针对多通道同时采样应用进行扩展。认识到低功耗的重要性，ADC的功耗与采样速率成线性关系。ADC也可以直接从基准电压源供电，无需额外的电源轨和相关的电源转换效率低下。该参考设计现成，便于设计人员进行测试，包括所有原理图、物料清单、PCB 图稿和测试软件。

图1.井下仪表数据采集信号链。

图2.简化的数据采集电路原理图。

电路概述

图1所示电路是一款16位、600 kSPS逐次逼近型模数转换器系统，采用额定温度、特性和保证温度为175°C的器件。 由于许多恶劣环境应用都是电池供电的，因此信号链的设计具有低功耗，同时仍保持高性能。

本电路采用低功耗（4.65 mW @ 600 kSPS）、高温PulSAR ADCAD7981，直接由高温、低功耗运算放大器AD8634驱动。AD7981 ADC需要一个2.4 V至5.1 V的外部基准电压源，在本应用中，选择的基准电压源是微功耗ADR225精密2.5 V基准电压源，该基准电压源也适合高温工作，在210°C时具有极低的静态电流（最大值为60 μA）。 该设计中的所有IC都具有专为高温环境设计的封装，包括单金属引线键合。®

模数转换器

本电路的核心是AD7981，这是一款16位、低功耗、单电源ADC，采用逐次逼近架构（SAR），采样速率高达600 kSPS。如图1所示，AD7981使用两个电源引脚：内核电源VDD和数字输入/输出接口电源VIO。VIO 引脚允许与 1.8 V 至 5.0 V 之间的任何逻辑直接接口。VDD和VIO引脚也可以连接在一起，以节省系统中所需的电源数量，并且它们与电源排序无关。简化的连接图如图 3 所示。

AD7981在600 kSPS时的典型功耗仅为4.65 mW，并在两次转换之间自动关断以节省功耗。因此，功耗与采样速率成线性关系，使ADC非常适合高采样速率和低采样速率（甚至低至几Hz），并为电池供电系统实现极低的功耗。此外，过采样技术可用于提高低速信号的有效分辨率。

图3.AD7981应用图

AD7981采用伪差分模拟输入结构，可对IN+和IN−输入之间的真差分信号进行采样，并抑制两个输入共有的信号。IN+输入可以接受0 V至V的单极性单端输入信号裁判，IN−输入的GND至100 mV范围有限。AD7981的伪差分输入简化了ADC驱动器要求并降低了功耗。AD7981采用10引脚MSOP封装，额定温度为175°C。

模数转换器驱动器

AD7981的输入可以直接由低阻抗源驱动，但高源阻抗会显著降低交流性能，尤其是总谐波失真（THD）。因此，建议使用ADC驱动器或运算放大器（如AD8634）来驱动AD7981的输入，如图4所示。在采集时间开始时，开关闭合，容性DAC在ADC输入上注入电压毛刺（反冲）。ADC驱动器有助于解决这种反冲，并将其与信号源隔离。

低功耗（每个放大器1 mA）双通道精密运算放大器AD8634非常适合此任务，因为其出色的直流和交流规格非常适合传感器信号调理和信号链中的其他应用。虽然AD8634具有轨到轨输出，但输入端的正负供电轨需要300 mV裕量。这就需要负电源，选择为–2.5 V。AD8634采用额定温度为175°C的8引脚SOIC封装和额定温度为210°C的8引脚扁平封装。

图4.ADC前端放大器电路。

ADC驱动器和AD7981之间的RC滤波器用于衰减AD7981输入端注入的反冲，并限制进入其输入端的噪声。然而，过多的频带限制会增加建立时间和失真。因此，找到该滤波器的最佳RC值非常重要。计算主要基于输入频率和吞吐率。

来自AD7981数据手册，内部采样电容C在= 30 pF和tCONV = 900 ns，如上所述，对于10 kHz输入信号，假设ADC以600 kSPS和C工作内线= 2.7 nF，2.5 V基准电压源的电压阶跃为：

因此，在16位时稳定为1/2 LSB所需的时间常数为：

AD7981的采集时间为

然后，我们可以使用以下公式计算RC滤波器的带宽：

这是一个具有一阶近似的理论值，应在实验室中验证。我们通过测试确定最佳值为 R内线= 85 Ω 和 C内线= 2.7 nF （f–3分贝= 693.48 kHz），在扩展至175°C的温度范围内具有出色的性能。

在参考设计中，ADC驱动器采用单位增益缓冲器配置。增加ADC驱动器的增益将降低驱动器的带宽并延长建立时间。在这种情况下，可能需要降低ADC的吞吐量，或者在增益级之后使用额外的缓冲器作为驱动器。

电压基准

2.5 V基准电压源ADR225在210°C时的最大静态电流仅为60 μA，漂移极低，典型值为40 ppm/°C，是该低功耗数据采集电路的理想器件。其初始精度为 ±0.4%，可在 3.3 V 至 16 V 的宽电源范围内工作。

与其他SAR ADC一样，AD7981的基准电压源输入具有动态输入阻抗，因此应由低阻抗源驱动，并在REF引脚和GND之间实现高效去耦，如图5所示。除ADC驱动器应用外，AD8634还非常适合用作基准电压缓冲器。

使用基准电压缓冲器的另一个优点是，通过增加一个低通RC滤波器，可以进一步降低基准电压输出端的噪声，如图5所示。本电路采用49.9 Ω电阻和47 μF电容，截止频率约为67 Hz。

图5.SAR ADC 基准电压缓冲器和 RC 滤波器。

在转换过程中，AD7981基准输入端可能会出现高达2.5 mA的电流尖峰。一个高值储能电容放置在尽可能靠近基准输入的位置，以提供该电流并保持较低的基准输入噪声。通常，使用低ESR（10 μF或更高）陶瓷电容器，但对于高温应用，由于缺乏高值高温陶瓷电容器，这是有问题的。因此，选择了对电路性能影响最小的低ESR 47 μF钽电容。

数字接口

AD7981提供灵活的串行数字接口，兼容SPI、QSPI和其他数字主机。该接口可配置为简单的 3 线模式以实现最低的 I/O 数量，或配置为 4 线模式，允许选择菊花链回读和忙指示。4线模式还允许从CNV（转换输入）独立回读时序，从而实现与多个转换器同时采样。

此参考设计中使用的 Pmod 兼容接口实现了简单的 3 线模式，SDI 与 VIO 连接较高。VIO 电压由 SDP-PMOD 内插器板从外部提供。内插器板将参考设计板连接到ADI公司系统开发平台（SDP）板，并允许通过USB连接到PC，以便运行软件来评估性能。

电源

该参考设计需要用于+5 V和–2.5 V电源轨的外部低噪声电源。由于AD7981功耗低，因此可以直接由基准电压缓冲器供电。这消除了对额外电源轨的需求，从而节省了电源和电路板空间。从基准电压缓冲器为ADC供电的正确配置如图6所示。如果逻辑电平兼容，也可以提供VIO。对于参考设计板，VIO通过Pmod兼容接口从外部提供，以实现最大的灵活性。

图6.从基准电压缓冲器供电ADC。

整个数据采集解决方案在175°C下的典型总功耗计算如下：

ADR225：5 V = 0.15 mW × 30 μA

AD8634：（1 mA×2个放大器）× 7.5 V = 15 mW

AD7981： 4.65 mW @ 600 kSPS

总功耗 = 19.8 mW

集成电路封装和可靠性

ADI公司高温产品组合中的器件经过特殊的工艺流程，包括设计、特性、可靠性认证和生产测试。该过程的一部分包括专门为极端温度设计的特殊包装。该电路中的175°C塑料封装使用了特殊的材料组。

高温封装中的主要失效机制之一是键合线对焊盘界面，特别是当金（Au）和铝（Al）金属混合时，这在塑料封装中很常见。温度升高会加速铝金属间化合物的生长。正是这些金属间化合物与粘结失效有关，例如脆性键和空洞，如图7所示，这些失效可能在几百小时内发生。

图7.铝垫上的金球键合，在 195°C 下放置 500 小时。

为了避免这些故障，ADI公司使用过焊盘金属化（OPM）工艺创建金键合焊盘表面，以便连接金键合线。这种单金属系统不会形成金属间化合物，并且在鉴定测试中被证明是可靠的，在195°C下浸泡超过6000小时，如图8所示。

图8.OPM焊盘上的金球键合，在195°C下放置6000小时。

尽管ADI公司在195°C下显示出可靠的粘合性能，但由于模塑料的玻璃化转变温度，塑料封装的额定工作温度仅为175°C。除了该电路上使用的额定温度为 175°C 的产品外，额定温度为 210°C 的型号还提供陶瓷扁平封装。已知良好的芯片（KGD）也可用于需要定制封装的系统。

ADI公司针对高温（HT）产品制定了全面的可靠性认证计划，其中包括高温工作寿命（HTOL），器件偏置在最高工作温度下。HT 产品是数据手册，规定在最高额定温度下至少 1000 小时。全面生产测试是保证制造的每个设备性能所需的最后一步。ADI公司高温产品组合中的每个器件都在高温下进行了生产测试，以确保满足性能要求。

无源元件

选择的无源元件应具有高温等级。对于这种设计，使用了>175°C的薄膜、低TCR电阻。COG/NPO电容器用于低值滤波器和去耦应用，并且在整个温度范围内具有非常平坦的系数。耐高温钽电容器的数值大于陶瓷，通常用于电源滤波。该板上使用的SMA连接器的额定温度为165°C，因此应将其移除，以便在高温下进行长时间测试。同样，0.1“ 针座连接器（J2 和 P3）上的绝缘材料只能在高温下短时间使用，但也应去除以进行长时间的高温测试。对于生产组件，有多个供应商的 HT 级连接器可供选择，例如 Micro-D 型连接器。

印刷电路板布局和组装

该电路的PCB设计使模拟信号和数字接口位于ADC的不同侧，没有开关信号在ADC IC下方或模拟信号路径附近运行。这种设计最大限度地减少了耦合到ADC芯片并支持模拟信号链的噪声量。AD7981的引脚排列，所有模拟信号在左侧，所有数字信号在右侧，简化了这一任务。基准电压输入REF具有动态输入阻抗，应以最小的寄生电感去耦，这是通过将基准去耦电容尽可能靠近REF和GND引脚，并通过宽的低阻抗走线与引脚进行连接来实现的。该板的布局专门设计为仅在电路板顶部设置组件，以便于在温度范围内进行测试，其中热量将从电路板底部施加。完整组件的照片如图 9 所示。有关进一步布局建议，请参见AD7981数据手册。

图9.参考设计电路组件。

对于高温电路，应使用特殊的电路材料和组装技术来确保可靠性。FR4 是用于 PCB 层压板的常用材料， 但商业级 FR4 的典型玻璃化转变温度约为 140°C. 高于 140°C， PCB 将开始分解， 分层， 并对组件造成应力.聚酰亚胺是高温组件的广泛使用的替代品，其玻璃化转变温度通常大于240°C。 该设计使用了四层聚酰亚胺PCB.

PCB表面也是一个问题，特别是当与含锡焊料一起使用时，因为倾向于与铜迹线形成青铜金属间化合物。通常使用镍金表面光洁度，其中镍提供屏障，金为焊点键合提供良好的表面。使用高熔点焊料时，应在系统的熔点和最高工作温度之间留出良好的裕量。该组件选择了SAC305无铅焊料。熔点为217°C，与最高工作温度175°C相比有42°C的余量。

性能预期

AD7981的典型SNR为91 dB，输入音为1 kHz，基准电压源为5 V。但是，当使用低基准电压（如2.5 V）时，这在低功耗/低压系统中很常见，预计SNR会有所下降。我们可以根据电路中使用的元件规格来计算理论SNR。根据AD8634放大器数据手册，其输入电压噪声密度为4.2 nV/√Hz，电流噪声密度为0.6 pA/√Hz。由于缓冲器配置中AD8634的噪声增益为1，假设电流噪声计算的串联输入电阻可以忽略不计，AD8634的等效输出噪声贡献为：

ADC输入端的总积分噪声

（RC滤波器后

） 将是：

AD7981的均方根噪声可通过数据手册中2.5 V基准电压源的典型SNR为86 dB计算得出。

整个数据采集系统的总均方根噪声可以使用AD8634和AD7981噪声源的和方根（RSS）计算：

因此，数据采集系统在室温（25°C）下的理论信噪比可以估算如下：

测试结果

在25°C至185°C的温度范围内评估了电路的交流性能。 使用低失真信号发生器来表征性能至关重要。对于此测试，使用了音频精度SYS-2522。为了便于在烘箱中进行测试，我们组装了扩展线束，以便只有参考设计电路暴露在高温下。测试设置的框图如图10所示。

图 10.表征测试设置。

根据我们在先前设置中的计算，我们预计在室温下可实现约86 dB SNR。这与我们在室温下的86.2 dB SNR测量值相比很好，如图11中的FFT摘要所示。

图 11.交流性能，输入音调为 1 kHz，580 kSPS，25°C。

当该电路在整个温度范围内进行评估时，SNR性能仅在175°C时降至约84 dB，如图12所示。THD仍然优于–100 dB，如图13所示。175°C时电路的FFT汇总如图14所示。

图 12.整个温度的信噪比，1 kHz 输入音，580 kSPS。

图 13.在整个温度范围内的 THD，1 kHz 输入音，580 kSPS。

图 14.交流性能，输入音调为 1 kHz，580 kSPS，175°C。

总结

在本文中，我们介绍了一种新的高温数据采集参考设计，其特性从室温到175°C。 该电路是一款完整的低功耗（<20 mW）数据采集电路构建模块，将接收模拟传感器输入、调理并将其数字化为SPI串行数据流。该参考设计现成，便于设计人员进行测试，包括所有原理图、物料清单、PCB 图稿、测试软件和文档。

审核编辑：郭婷