低功耗，高精度，高温元件，适用于极端高温应用

当我们想到恶劣的环境时，毫无疑问，这个星球上最具挑战性的应用之一就是井下钻探。油田服务公司正在推动技术极限，以设计必须经受极压，冲击和振动的精密设备，同时具有较长的电池寿命并适合非常小的外形尺寸。然而，在这种环境下使用电子设备的最大挑战可能是极端温度。这些高温是深度的函数;而平均地热梯度约为25°C / km，在某些地区可能更高。由于全球能源需求的增加，有动力钻探和开发这些较热的井，以前这样做是不可行的。不幸的是，在这种环境中冷却电子设备不是一种选择。正因为如此，业界正在呼吁精密仪器必须在200°C以上可靠地运行。实际上，失败的高成本强调了可靠性的重要性。位于地下数英里的钻柱上的电子组件可能需要一天多的时间来取回和更换 - 并且运行复杂的深水海上钻井平台的速度每天可超过50万美元。

除了石油和天然气勘探，还有其他新兴的高温电子应用。航空业朝着“更多电动飞机”的方向发展。该计划的一部分旨在用分布式控制系统取代传统的集中式发动机控制器，使发动机控制系统更靠近发动机，大大降低了互连的复杂性并节省了成本。数百磅的飞机重量。该计划的另一个方面是用电力电子设备和电子控制装置取代液压系统，以提高可靠性并降低维护成本。控制电子设备理想地需要非常靠近致动器，这再次产生高环境温度环境。与航空电子喷气发动机类似，用于发电的重型工业燃气轮机需要控制系统和仪表。

高温额定IC

过去，高温电子设计师被迫由于高温IC不可用，使用高于其额定规格的元件。虽然某些标准温度IC可能具有高于规格的有限功能，但这是一项艰巨而冒险的尝试，并且无法保证可靠性或性能。例如，工程师必须识别潜在的候选人，完全测试和表征温度下的性能，并在很长一段时间内确定部件的可靠性。零件的性能和寿命通常大幅降低，并且可能在制造批次之间发生显着变化。这是设计师希望避免的具有挑战性，昂贵且耗时的过程。此外，目标设计温度正在转变为175°C，更高级的封装是必要的，即使在短时间内也能实现可靠性。

幸运的是，近年来的进步使得高温额定IC可以现货供应。 ADI公司高温产品系列中的产品采用专业工艺技术，电路设计和封装，并提供全面的表征，鉴定和生产测试程序，以确保高温下的可靠性能，并保证数据手册的规格。

高温信号链

虽然我们已经介绍了高温电子产品的一些不同的终端应用，从石油勘探到航空电子设备再到重工业领域，但它们的信号链有几个共同的要求。这些系统中的大多数需要从多个传感器获取精确数据或需要高吞吐率。此外，许多这些应用具有严格的功率预算，因为它们是从电池运行的，或者不能容忍电子器件自加热引起的额外温度增加。因此，需要一个低功率数据采集信号链，包括传感器，精密模拟元件和高吞吐量ADC。

即使现在有商用的HT额定IC，但选择仍然有限今天的电路构建块。特别是，没有商用精密ADC，它们的功率低，采样率高于100kSPS，额定工作温度高于200°C。对于需要采集和处理更宽带宽信号或想要复用信道的电路设计人员来说，这是一个主要的难点。为了满足这一需求，ADI公司最近发布了AD7981 ADC，采样率高达600kSPS，分辨率为16位，同时保持低功耗和非常小的占位面积。它现在采用10引脚MSOP封装，额定温度为175°C，额定温度为210°C的陶瓷扁平封装，即将推出已知良好的裸片版本。作为案例研究，我们将进一步详细研究该ADC的特性，使其在极端温度下具有突破性的性能和可靠性。

AD7981高温ADC

AD7981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600kSPS。它基于ADI公认的SAR核心，该核心已被设计用于大量工业和仪器系统。该架构基于ADI专有的电荷再分配容性DAC技术。 CMOS制造工艺在高温下实现了优异的性能，部分原因在于这些电容器在整个温度范围内的匹配和跟踪。此外，还对采集电路进行了优化，以提高高温下的精度。

AD7981的典型应用信号链如图1所示，其中高温合格的轨到轨输出，精度高，低功耗，双通道放大器AD8634用于驱动AD7981的输入，并作为参考缓冲器与高温合格的低温漂移ADR225 2.5 V基准电压源配合使用。 AD7981需要两个电源：模拟和数字内核电源（VDD），以及数字输入/输出接口电源（VIO），用于直接接口，具有1.8 V至5V之间的任何逻辑电压。 VIO和VDD引脚可以连接在一起，以减少所需的电源数量。

AD7981具有出色的交流和直流性能，典型值为±0.7LSB INL，-102dB THD和91dB SNR ，即使在175°C的高温下，也能实现高动态范围，更高的精度和精度。 AD7981典型的INL vs.code曲线如图2所示。

AD7981在各种温度下宽输入频率范围内的信噪比和失真（SINAD）性能如图3所示。

AD7981最大化电池电量通过吞吐速率线性调整功率，在恶劣环境中生活，在600kSPS的全吞吐量下通常耗散约4mW，在10kSPS时耗散70μW，如图4所示.AD7981在转换之间自动关断以节省功耗。这使得该器件非常适合低采样率应用，甚至几Hz，并且可以为电池供电的便携式系统提供极低的功耗。

AD7981提供灵活的串行数字接口与SPI和其他数字主机兼容。它可配置为简单的3线模式以实现最低I / O数，或4线模式，允许菊花链回读和同步采样选项。对于多通道数据采集系统，AD7981可轻松与多路复用器配合使用，因为它集成了片上采样保持电路，SAR架构不会出现任何流水线延迟或延迟。

高温包装

一旦我们拥有在高温下运行的高性能硅，就只能赢得一半的战斗。坚固的封装对于必须经受恶劣高温环境的集成电路至关重要。该封装必须提供足够的保护，以免与环境和PCB的可靠互连，同时具有适合系统任务配置文件的形状因子。

虽然可靠包装有许多考虑因素，但主要故障之一高温下的点是线键合。这种失效在工业中常见的塑料包装中尤其成问题，其中金键合线和铝键合焊盘是标准的。升高的温度加速AuAl金属间化合物的生长。这些金属间化合物与键合失效有关，例如脆性键合和空洞，这可能会在数百小时内发生，如图5所示。为了避免这些失败，ADI使用过焊盘金属化（OPM）工艺来创建金键合垫表面为金键合线附着。这种单金属系统不会形成金属间化合物，并且在我们的鉴定测试中已被证明是可靠的，在195°C下浸泡超过6000小时，如图6所示。尽管ADI在195°C时显示出可靠的粘合，但塑料包装的额定值可用于操作由于模塑料的玻璃化转变温度，仅高达175°C。

应用实例

上述AD7981组合的关键特性如此高性能，坚固性，低功耗和灵活配置可满足恶劣，高温环境下精密测量应用的关键性能标准，如井下石油和天然气钻井，以及工业，仪器仪表和航空电子应用。

AD7981是不断发展的高温产品系列的成员之一，可实现从传感器到处理器的精确模拟信号处理。 AD7981还提供ADR225 2.5V输出基准电压源和AD8634 / AD8229放大器，用于信号调理。高温额定MEMS惯性传感器，如ADXL206加速度计和ADXRS645陀螺仪，可为设计人员提供有关系统方向和运动的信息。使用这些组件的井下钻井仪器的简化信号链如图7所示。

在此应用中，对来自各种井下传感器的信号进行采样，以收集有关周围地质构造的信息。这些传感器可以采用电极，线圈，压电或其他传感器的形式。加速度计，磁力计和陀螺仪提供有关钻柱的倾斜度，方位角，旋转速率，冲击和振动的信息。这些传感器中的一些具有非常低的带宽，而其他传感器可以具有音频范围和更高的信息。 AD7981能够从具有不同带宽要求的传感器中采样数据，同时保持功率效率。占地面积小，即使在空间受限的布局中也可轻松包含多个通道，例如井下工具中常见的非常窄的板宽。此外，灵活的数字接口允许在更苛刻的应用中同时采样，同时还允许针对低引脚数系统进行简单的菊花链式读取。

摘要

总之，极高温度是恶劣环境系统中最大的挑战之一。然而，新型高温额定IC（如AD7981）使设计人员能够利用高精度，低功耗且具有良好合格可靠性的现成组件来克服这一挑战。