作者：Jeff Watson and Maithil Pachchigar

越來越多的應用要求數據采集系統必須在非常高的環境環境中可靠運行，例如井下石油和天然氣鉆探、航空電子設備和汽車。雖然這些行業的最終用途大不相同，但有幾個常見的信號調理需求。這些系統中的大多數需要從多個傳感器進行精確數據采集，或者需要高采樣率。此外，其中許多應用具有嚴格的功率預算，因為它們由電池供電，或者不能容忍電子設備自發熱引起的額外溫升。因此，需要低功耗模數轉換器（ADC）信號鏈，在整個溫度范圍內保持高精度，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數量仍然很少，但近年來數量正在增加，特別是在信號調理和數據轉換等核心功能方面。這使電子工程師能夠快速可靠地針對高溫應用進行設計，并實現過去無法實現的性能。雖然這些IC中的許多在溫度范圍內具有良好的特性，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中實現高性能的最佳實踐。

在本文中，我們提出了一種新的高溫數據采集參考設計，其特性從室溫到175°C。 該電路旨在成為一個完整的數據采集電路構建模塊，將接收模擬傳感器輸入，對其進行調理，并將其數字化為SPI串行數據流。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的電源轉換效率低下。該參考設計現成，便于設計人員進行測試，包括所有原理圖、物料清單、PCB 圖稿和測試軟件。

圖1.井下儀表數據采集信號鏈。

圖2.簡化的數據采集電路原理圖。

電路概述

圖1所示電路是一款16位、600 kSPS逐次逼近型模數轉換器系統，采用額定溫度、特性和保證溫度為175°C的器件。 由于許多惡劣環境應用都是電池供電的，因此信號鏈的設計具有低功耗，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時具有極低的靜態電流（最大值為60 μA）。 該設計中的所有IC都具有專為高溫環境設計的封裝，包括單金屬引線鍵合。?

模數轉換器

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（SAR），采樣速率高達600 kSPS。如圖1所示，AD7981使用兩個電源引腳：內核電源VDD和數字輸入/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，以節省系統中所需的電源數量，并且它們與電源排序無關。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，并在兩次轉換之間自動關斷以節省功耗。因此，功耗與采樣速率成線性關系，使ADC非常適合高采樣速率和低采樣速率（甚至低至幾Hz），并為電池供電系統實現極低的功耗。此外，過采樣技術可用于提高低速信號的有效分辨率。

圖3.AD7981應用圖

AD7981采用偽差分模擬輸入結構，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。

模數轉換器驅動器

AD7981的輸入可以直接由低阻抗源驅動，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驅動器或運算放大器（如AD8634）來驅動AD7981的輸入，如圖4所示。在采集時間開始時，開關閉合，容性DAC在ADC輸入上注入電壓毛刺（反沖）。ADC驅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，因為其出色的直流和交流規格非常適合傳感器信號調理和信號鏈中的其他應用。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數據手冊，內部采樣電容C在= 30 pF和tCONV = 900 ns，如上所述，對于10 kHz輸入信號，假設ADC以600 kSPS和C工作內線= 2.7 nF，2.5 V基準電壓源的電壓階躍為：

因此，在16位時穩定為1/2 LSB所需的時間常數為：

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，應在實驗室中驗證。我們通過測試確定最佳值為 R內線= 85 Ω 和 C內線= 2.7 nF （f–3分貝= 693.48 kHz），在擴展至175°C的溫度范圍內具有出色的性能。

在參考設計中，ADC驅動器采用單位增益緩沖器配置。增加ADC驅動器的增益將降低驅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動器。

電壓基準

2.5 V基準電壓源ADR225在210°C時的最大靜態電流僅為60 μA，漂移極低，典型值為40 ppm/°C，是該低功耗數據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 的寬電源范圍內工作。

與其他SAR ADC一樣，AD7981的基準電壓源輸入具有動態輸入阻抗，因此應由低阻抗源驅動，并在REF引腳和GND之間實現高效去耦，如圖5所示。除ADC驅動器應用外，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。

在轉換過程中，AD7981基準輸入端可能會出現高達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。

數字接口

AD7981提供靈活的串行數字接口，兼容SPI、QSPI和其他數字主機。該接口可配置為簡單的 3 線模式以實現最低的 I/O 數量，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（轉換輸入）獨立回讀時序，從而實現與多個轉換器同時采樣。

此參考設計中使用的 Pmod 兼容接口實現了簡單的 3 線模式，SDI 與 VIO 連接較高。VIO 電壓由 SDP-PMOD 內插器板從外部提供。內插器板將參考設計板連接到ADI公司系統開發平臺（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。對于參考設計板，VIO通過Pmod兼容接口從外部提供，以實現最大的靈活性。

圖6.從基準電壓緩沖器供電ADC。

整個數據采集解決方案在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公司高溫產品組合中的器件經過特殊的工藝流程，包括設計、特性、可靠性認證和生產測試。該過程的一部分包括專門為極端溫度設計的特殊包裝。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失效有關，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發生。

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）工藝創建金鍵合焊盤表面，以便連接金鍵合線。這種單金屬系統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。

ADI公司針對高溫（HT）產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 產品是數據手冊，規定在最高額定溫度下至少 1000 小時。全面生產測試是保證制造的每個設備性能所需的最后一步。ADI公司高溫產品組合中的每個器件都在高溫下進行了生產測試，以確保滿足性能要求。

無源元件

選擇的無源元件應具有高溫等級。對于這種設計，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用，并且在整個溫度范圍內具有非常平坦的系數。耐高溫鉭電容器的數值大于陶瓷，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，但也應去除以進行長時間的高溫測試。對于生產組件，有多個供應商的 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設計使模擬信號和數字接口位于ADC的不同側，沒有開關信號在ADC IC下方或模擬信號路徑附近運行。這種設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，所有數字信號在右側，簡化了這一任務。基準電壓輸入REF具有動態輸入阻抗，應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的。該板的布局專門設計為僅在電路板頂部設置組件，以便于在溫度范圍內進行測試，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。有關進一步布局建議，請參見AD7981數據手冊。

圖9.參考設計電路組件。

對于高溫電路，應使用特殊的電路材料和組裝技術來確保可靠性。FR4 是用于 PCB 層壓板的常用材料， 但商業級 FR4 的典型玻璃化轉變溫度約為 140°C. 高于 140°C， PCB 將開始分解， 分層， 并對組件造成應力.聚酰亞胺是高溫組件的廣泛使用的替代品，其玻璃化轉變溫度通常大于240°C。 該設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，應在系統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/低壓系統中很常見，預計SNR會有所下降。我們可以根據電路中使用的元件規格來計算理論SNR。根據AD8634放大器數據手冊，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，假設電流噪聲計算的串聯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據手冊中2.5 V基準電壓源的典型SNR為86 dB計算得出。

整個數據采集系統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，數據采集系統在室溫（25°C）下的理論信噪比可以估算如下：

測試結果

在25°C至185°C的溫度范圍內評估了電路的交流性能。 使用低失真信號發生器來表征性能至關重要。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，以便只有參考設計電路暴露在高溫下。測試設置的框圖如圖10所示。

圖 10.表征測試設置。

根據我們在先前設置中的計算，我們預計在室溫下可實現約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，輸入音調為 1 kHz，580 kSPS，25°C。

當該電路在整個溫度范圍內進行評估時，SNR性能僅在175°C時降至約84 dB，如圖12所示。THD仍然優于–100 dB，如圖13所示。175°C時電路的FFT匯總如圖14所示。

圖 12.整個溫度的信噪比，1 kHz 輸入音，580 kSPS。

圖 13.在整個溫度范圍內的 THD，1 kHz 輸入音，580 kSPS。

圖 14.交流性能，輸入音調為 1 kHz，580 kSPS，175°C。

總結

在本文中，我們介紹了一種新的高溫數據采集參考設計，其特性從室溫到175°C。 該電路是一款完整的低功耗（<20 mW）數據采集電路構建模塊，將接收模擬傳感器輸入、調理并將其數字化為SPI串行數據流。該參考設計現成，便于設計人員進行測試，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