越來越多的應用要求資料採集系統必須在極高環境溫度下可靠地工作，例如，井下油氣鑽探、航空和汽車應用等。雖然這些行業的最終應用不盡相同，但某些訊號調理需求卻是共同的。這些系統的主要部分要求對多個感測器進行精確資料採集，或者要求高取樣速率。
此外，很多這樣的應用都有很嚴格的功率預算，因為它們採用電池供電，或者無法耐受自身電子元件發熱導致的額外升溫。因此，需要用到可以在溫度範圍內保持高精度，並且可以輕鬆用於各種場景的低功耗模數轉換器(ADC)訊號鏈。這類訊號鏈見圖1，該圖描繪了一個井下鑽探儀器。
雖然額定溫度為175℃的商用IC數量依然較少，但近年來這一數量正在增加，尤其是諸如訊號調理和資料轉換等核心功能。這便促使電子工程師快速可靠地設計用於高溫應用的產品，並完成過去無法實現的效能。雖然很多這類IC在溫度範圍內具有良好的特性化，但也僅限於該器件的功能。顯然，這些元件缺少電路級資訊，使其無法在現實系統中實現極佳效能。
本文中，我們提供了一個新的高溫資料採集參考設計，該設計在室溫至175℃溫度範圍內進行特徵化。該電路旨在提供一個完整的資料採集電路構建塊，可獲取模擬感測器輸入、對其進行調理，並將其特徵化為SPI序列資料流。該設計功能非常豐富，可用作單通道應用，也可擴充套件為多通道同步取樣應用。由於認識到低功耗的重要性，該ADC的功耗與取樣速率成線性比例關係。
該ADC還可由基準電壓源直接供電，無須額外的電源軌，從而不存在功率轉換相關的低效率。這款參考設計是現成的，可方便設計人員進行測試，包含全部原理圖、物料清單、PCB佈局圖和測試軟體。
電路概覽
圖1所示電路是一個1 6位、600kSPS逐次逼近型模數轉換器系統，其所用器件的額定溫度、特性測試溫度和效能保證溫度為175℃。很多惡劣環境應用都採用電池供電，因此該訊號鏈針對低功耗而設計，同時仍然保持高效能。
本電路使用低功耗(600kSPS時為4.65mW)、耐高溫PulSAR ADCAD7981，它直接從耐高溫、低功耗運算放大器AD8634驅動。AD7981ADC需要2.4-5.1V的外部基準電壓源，本應用選擇的基準電壓源為微功耗2.5V精密基準源ADR225，後者也通過了高溫工作認證，並具有非常低的靜態電流(210℃時最大值為60μA)。本設計中的所有IC封裝都是專門針對高溫環境而設計的，包括單金屬線焊。
模數轉換器
本電路的核心是16位、低功耗、單電源ADC AD7981，它採用逐次逼近架構，最高支援600kSPS的取樣速率。如圖2所示，AD7981使用兩個電源引腳：核心電源(VDD)和數字輸入/輸出介面電源(VIO)。VIO引腳可以與1.8～的任何邏輯直接介面。VDD和VIO引腳也可以連在一起以節省系統所需的電源數量，並且它們與電源時序無關。圖3給出了連線示意圖。
AD7981在600 kSPS時功耗典型值僅為4.65mW，並能在兩次轉換之間自動關斷，以節省功耗。因此，功耗與取樣速率成線性比例關係，使得該ADC對高低取樣速率——甚至低至數Hz——均適合，並且可實現非常低的功耗，支援電池供電系統。此外，可以使用過取樣技術來提高低速訊號的有效解析度。
AD7981有一個偽差分模擬輸入結構，可對IN+與IN-輸入之間的真差分訊號進行取樣，並抑制這兩個輸入共有的訊號。IN+輸入支援OV至VREF的單極性、單端輸入訊號，IN-輸入的範圍受限，為GND至lOOmV。AD7981的偽差分輸入簡化了ADC驅動器要求並降低了功耗。AD7981採用10引腳MSOP封裝，額定溫度為175℃，
ADC驅動器
AD7981的輸入可直接從低阻抗訊號源驅動;然而，高源阻抗會顯著降低效能，尤其是總諧波失真(THD)。因此，推薦使用ADC驅動器或運算放大器(如AD8634)來驅動AD7981輸入，如圖4所示。在採集時間開始時，開關閉合，容性DAC在ADC輸入端注入一個電壓毛刺(反衝)。ADC驅動器幫助此反衝穩定下來，並將其與訊號源相隔離。
低功耗(ImA/放大器)雙通道精密運算放大器AD8634適合此任務，因為其出色的直流和交流特性對感測器訊號調理和訊號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供電軌具有300mV裕量。這就使得負電源成為必要，所選負電源為2.5V。AD8634提供額定溫度為175℃的8引腳SOIC封裝和額定溫度為210℃的8引腳FLATPACK封裝。
ADC驅動器與AD7981之間的RC濾波器衰減AD7981輸入端注入的反衝，並限制進入此輸入端的噪聲頻寬。不過，過大的限帶可能會增加建立時間和失真。因此，為該濾波器找到最優RC值很重要。其計算主要基於輸入頻率和吞吐速率。
由AD7981資料手冊可知，內部取樣電容CIN=30pF且tCONV=900ns，因此正如所描述的，對於lOkHz輸入訊號而言，假定ADC工作在600kSPS且CFXT=2.7nF，則用於2.5V基準電壓源的電壓步進為：
因此，在16位處建立至1/2 LSB所需的時間常數數量為： AD7981的採集時間為：
通過下式可計算RC濾波器的頻寬：
這是一個理論值，其一階近似應當在實驗室中進行驗證。通過測試可知最優值為R EXT=85 Q和CEXT=2. 7nF(f_3dB_693. 48kHz)，此時在高達l75℃的擴充套件溫度範圍內具有出色的效能。
在參考設計中，ADC驅動器採用單位增益緩衝器配置。增加ADC驅動器增益會降低驅動器頻寬，延長建立時間。這種情況下可能需要降低ADC吞吐速率，或者在增益級之後再使用一個緩衝器作為驅動器。
基準電壓源
ADR225 2.5V基準電壓源在時210℃僅消耗最大60μA的靜態電流，並具有典型值40×10-6/℃的超低漂移特性，因而非常適合用於該低功耗資料採集電路。該器件的初始精度為±0.4%，可在3.3-16V的寬電源範圍內工作。 像其他SAR ADC-樣，AD7981的基準電壓輸入具有動態輸入阻抗，因此必須利用低阻抗源驅動，REF引腳與GND之間應有效去耦，如圖5所示。除了ADC驅動器應用，AD8634同樣適合用作基準電壓緩衝器。
使用基準電壓緩衝器的另一個好處是，基準電壓輸出端噪聲可通過增加一個低通RC濾波器來進一步降低，如圖5所示。在該電路中，49.9Ω電阻和47μ電容提供大約67Hz的截止頻率。
轉換期間，AD7981基準電壓輸入端可能出現高達2.5mA的電流尖峰。在儘可能靠近基準電壓輸入端的地方放置一個大容值儲能電容，以便提供該電流並使基準電壓輸入端噪聲保持較低水平。一般而言，採用低ESR-10μ或更高——陶瓷電容，但對於高溫應用來說會有問題，因為缺少可用的高數值、高溫陶瓷電容。因此，選擇一個低ESR、47μF鉭電容，其對電路效能的影響極小。
數字介面
AD7981提供一個相容SPI、QSPI和其他數字主機的靈活序列數字介面。該介面既可配置為簡單的3線模式以實現最少的I/O數，也可配置為4線模式以提供菊花鏈回讀和繁忙指示選項。4線模式還支援CNV(轉換輸入)的獨立回讀時序，使得多個轉換器可實現同步取樣。
本參考設計使用的PMOD相容介面實現了簡單的3線模式，SDI接高電平VIO。VIO電壓是由SDPPMOD轉接板從外部提供。轉接板將參考設計板與ADI系統開發平臺(SDP)板相連，並可通過USB連線PC，以便執行軟體、評估效能。
電源
本參考設計的+5V和-2.5V供電軌需要外部低噪聲電源。由於AD7981是低功耗器件，因此可通過基準電壓緩衝器直接供電。這樣便不再需要額外的供電軌——節省電源和電路板空間。通過基準電壓緩衝器為ADC供電的正確配置如圖6所示。如果邏輯電平相容，那麼還可以使用VIO。就參考設計板而言，VIO通過PMOD相容介面由外部供電，以實現最高的靈活性。
IC封裝和可靠性
ADI公司高溫系列中的器件要經歷特殊的工藝流程，包括設計、特性測試、可靠性認證和生產測試。專門針對極端溫度設計特殊封裝是該流程的一部分。本電路中的175℃塑料封裝採用一種特殊材料。
耐高溫封裝的一個主要失效機制是焊線與焊墊介面失效，尤其是金(Au)和鋁(Al)混合時(塑料封裝通常如此)。高溫會加速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之後就會發生，如圖7所示。
為了避免失效，ADI公司利用焊盤金屬化(OPM)工藝產生一個金焊墊表面以供金焊線連線。這種單金屬系統不會形成金屬間化合物，經過195℃、6000小時的浸泡式認證測試，已被證明非常可靠，如圖8所示。
雖然ADI公司已證明焊接在195℃時仍然可靠，但受限於塑封材料的玻璃轉化溫度，塑料封裝的額定最高工作溫度僅為175℃。除了本電路所用的額定175℃產品，還有采用陶瓷FLATPACK封裝的額定210℃型號可用。同時有已知良品裸片(KGD)可供需要定製封裝的系統使用。無源元件
應當選擇耐高溫的無源元件。本設計使用175℃以上的薄膜型低TCR電阻。COG/NPO電容容值較低常用於濾波器和去耦應用，其溫度係數非常平坦。耐高溫鉭電容有比陶瓷電容更大的容值，常用於電源濾波。本電路板所用SMA聯結器的額定溫度為165℃，因此，在高溫下進行長時間測試時，應當將其移除。同樣，0.1英寸接頭聯結器(J2和P3)上的絕緣材料在高溫時只能持續較短時間，因而在長時間高溫測試中也應當予以移除。對於生產組裝而言，有多個供應商提供用於HT額定聯結器的`多個選項，例如MicroD類聯結器。
PCB佈局和裝配
在本電路的PCB設計中，模擬訊號和數字介面位於ADC的相對兩側，ADC IC之下或模擬訊號路徑附近無開關訊號。這種設計可以最大程度地降低耦合到ADC晶片和輔助模擬訊號鏈中的噪聲。AD7981的所有模擬訊號位於左側，所有數字訊號位於右側，這種引腳排列可以簡化設計。基準電壓輸入REF具有動態輸入阻抗，應當用極小的寄生電感去耦，為此須將基準電壓去耦電容放在儘量靠近REF和GND引腳的地方，並用低阻抗的寬走線連線該引腳。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行溫度測試。完整的元件如圖9所示。
針對高溫電路，應當採用特殊電路材料和裝配技術來確保可靠性。FR4是PCB疊層常用的材料，但商用FR4的典型玻璃轉化溫度約為140℃。超過140℃時，PCB便開始破裂、分層，並對元器件造成壓力。高溫裝配廣泛使用的替代材料是聚醯亞胺，其典型玻璃轉化溫度大於240℃。本設計使用4層聚醯亞胺PCB。
PCB表面也需要注意，特別是配合含錫的焊料使用時，因為這種焊料易於與銅走線形成銅金屬間化合物。常常採用鎳金表面處理，其中鎳提供一個壁壘，金則為接頭焊接提供一個良好的表面。此外，應當使用高熔點焊料，熔點與系統最高工作溫度之間應有合適的裕量。本裝配選擇SAC305無鉛焊料，其熔點為217℃，相對於175℃的最高工作溫度有42℃的裕量。
效能預期
採用lkHz輸入正弦訊號和5V基準電壓時，AD7981的額定SNR典型值為9ldB。然而，當使用較低基準電壓(例如2.5V，低功耗/低電壓系統常常如此)，SNR效能會有所下降。我們可以根據電路中使用的元件規格計算理論SNR。由AD8634放大器資料手冊可知，其輸入電壓噪聲密度為4.2nV/ ，電流噪聲密度為0.6pA/ 。由於緩衝器配置中的AD8634噪聲增益為1，並且假定電流噪聲計算時可忽略串聯輸入電阻，則AD8634的等效輸出噪聲貢獻為：
RC濾波( )器之後的ADC輸入端總積分噪聲為： AD7981的均方根噪聲可根據資料手冊中的2.5V基準電壓源典型信噪比(SNR，86dB)計算得到。
整個資料採集系統的總均方根噪聲可通過AD8634和AD7981噪聲源的方和根(RSS)計算：
因此，室溫(25℃)時的資料採集系統理論SNR可根據下式近似計算：
測試結果
電路的交流效能在25～185℃溫度範圍內進行評估。使用低失真訊號發生器對效能進行特性化很重要。本測試使用Audio Precision SYS-2522。為了便於在烤箱中測試，使用了延長線，以便僅有參考設計電路暴露在高溫下。測試設定的功能框圖如圖10所不。
由前文設定中的計算可知，室溫下期望能達到大約86dB的SNR。該值與我們在室溫下測出的86.2dB SNR相當，如圖11中的FFT摘要所示。
評估電路溫度效能時，175℃時的SNR效能僅降低至約84dB，如圖12所示。THD仍然優於-100dB，如圖13所示。本電路在175℃時的FFT摘要如圖14所示。
小結
本文中，提供了一個新的高溫資料採集參考設計，表述了室溫至175℃溫度範圍內的特性。該電路是一個完整的低功耗(<20mW)資料採集電路構建塊，可獲取模擬感測器輸入、對其進行調理，並將其數字化為SPI序列資料流。這款參考設計現成可用，可方便設計人員進行測試，包含全部原理圖、物料清單、PCB佈局圖、測試軟體和文件。