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用于高溫電子應(yīng)用的低功耗數(shù)據(jù)采集解決方案

發(fā)布時間:2017-06-05 來源:Jeff Watson,Maithil Pachchigar 責任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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。雖然這些行業(yè)的最終應(yīng)用不盡相同,但某些信號調(diào)理需求卻是共同的。這些系統(tǒng)的主要部分要求對多個傳感器進行精確數(shù)據(jù)采集,或者要求高采樣速率。
 
此外,很多這樣的應(yīng)用都有很嚴格的功率預(yù)算,因為它們采用電池供電,或者無法耐受自身電子元件發(fā)熱導(dǎo)致的額外升溫。因此,需要用到可以在溫度范圍內(nèi)保持高精度,并且可以輕松用于各種場景的低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 信號鏈。這類信號鏈見圖1;該圖描繪了一個井下鉆探儀器。
 
雖然額定溫度為175°C的商用IC數(shù)量依然較少,但近年來這一數(shù)量正在增加,尤其是諸如信號調(diào)理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等核心功能。這便促使電子工程師快速可靠地設(shè)計用于高溫應(yīng)用的產(chǎn)品,并完成過去無法實現(xiàn)的性能。雖然很多這類IC在溫度范圍內(nèi)具有良好的特性化,但也僅限于該器件的功能。顯然,這些元件缺少電路級信息,使其無法在現(xiàn)實系統(tǒng)中實現(xiàn)最佳性能。
 
本文中,我們提供了一個新的高溫數(shù)據(jù)采集參考設(shè)計,該設(shè)計在室溫至175°C溫度范圍內(nèi)進行特征化。該電路旨在提供一個完整的數(shù)據(jù)采集電路構(gòu)建塊,可獲取模擬傳感器輸入、對其進行調(diào)理,并將其特征化為SPI串行數(shù)據(jù)流。該設(shè)計功能非常豐富,可用作單通道應(yīng)用,也可擴展為多通道同步采樣應(yīng)用。由于認識到低功耗的重要性,該ADC的功耗與采樣速率成線性比例關(guān)系。該ADC還可由基準電壓源直接供電,無需額外的電源軌,從而不存在功率轉(zhuǎn)換相關(guān)的低效率。這款參考設(shè)計是現(xiàn)成的,可方便設(shè)計人員進行測試,包含全部原理圖、物料清單、PCB布局圖和測試軟件。
 
用于高溫電子應(yīng)用的低功耗數(shù)據(jù)采集解決方案
圖1. 井下儀器數(shù)據(jù)采集信號鏈。
 
用于高溫電子應(yīng)用的低功耗數(shù)據(jù)采集解決方案
圖2. 數(shù)據(jù)采集電路簡化原理圖。
 
電路概覽
 
圖1所示電路是一個16位、600 kSPS逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(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。很多惡劣環(huán)境應(yīng)用都采用電池供電,因此該信號鏈針對低功耗而設(shè)計,同時仍然保持高性能。
 
本電路使用低功耗(600 kSPS時為4.65 mW)、耐高溫PulSAR® ADCAD7981,它直接從耐高溫、低功耗運算放大器AD8634驅(qū)動。AD7981 ADC需要2.4 V至5.1 V的外部基準電壓源,本應(yīng)用選擇的基準電壓源為微功耗2.5 V精密基準源ADR225 ,后者也通過了高溫工作認證,并具有非常低的靜態(tài)電流(210°C時最大值為60 μA)。本設(shè)計中的所有IC封裝都是專門針對高溫環(huán)境而設(shè)計,包括單金屬線焊。
 
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,并且它們與電源時序無關(guān)。圖3給出了連接示意圖。
 
AD7981在600 kSPS時功耗典型值僅為4.65 mW,并能在兩次轉(zhuǎn)換之間自動關(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對高低采樣速率——甚至低至數(shù)Hz——均適合,并且可實現(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)來提高低速信號的有效分辨率。
 
用于高溫電子應(yīng)用的低功耗數(shù)據(jù)采集解決方案
圖3. AD7981應(yīng)用圖。
 
AD7981有一個偽差分模擬輸入結(jié)構(gòu),可對IN+ 與IN− 輸入之間的真差分信號進行采樣,并抑制這兩個輸入共有的信號。IN+ 輸入支持0 V至VREF的單極性、單端輸入信號,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。
 
ADC驅(qū)動器
 
AD7981的輸入可直接從低阻抗信號源驅(qū)動;然而,高源阻抗會顯著降低性能,尤其是總諧波失真 (THD)。因此,推薦使用ADC驅(qū)動器或運算放大器(如AD8634)來驅(qū)動AD7981輸入,如圖4所示。在采集時間開始時,開關(guān)閉合,容性DAC在ADC輸入端注入一個電壓毛刺(反沖)。ADC驅(qū)動器幫助此反沖穩(wěn)定下來,并將其與信號源相隔離。
 
低功耗(1 mA/放大器)雙通道精密運算放大器AD8634適合此任務(wù),因為其出色的直流和交流特性對傳感器信號調(diào)理和信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300 mV裕量。這就使得負電源成為必要,所選負電源為 –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。
 
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圖4. ADC前端放大器電路。
 
ADC驅(qū)動器與AD7981之間的RC濾波器衰減AD7981輸入端注入的反沖,并限制進入此輸入端的噪聲帶寬。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(yōu)RC值很重要。其計算主要基于輸入頻率和吞吐速率。
 
由AD7981數(shù)據(jù)手冊可知,內(nèi)部采樣電容CIN = 30 pF且tCONV = 900 ns,因此正如所描述的,對于10 kHz輸入信號而言,假定ADC工作在600 kSPS且CEXT = 2.7 nF,則用于2.5 V基準電壓源的電壓步進為:
 
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因此,在16位處建立至½ LSB所需的時間常數(shù)數(shù)量為:
 
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AD7981的采集時間為:
 
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通過下式可計算RC濾波器的帶寬:
 
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這是一個理論值,其一階近似應(yīng)當在實驗室中進行驗證。通過測試可知最優(yōu)值為REXT = 85 Ω和CEXT = 2.7 nF (f–3dB = 693.48 kHz),此時在高達175°C的擴展溫度范圍內(nèi)具有出色的性能。
 
在參考設(shè)計中,ADC驅(qū)動器采用單位增益緩沖器配置。增加ADC驅(qū)動器增益會降低驅(qū)動器帶寬,延長建立時間。這種情況下可能需要降低ADC吞吐速率,或者在增益級之后再使用一個緩沖器作為驅(qū)動器。
 
基準電壓源
 
ADR225 2.5 V基準電壓源在時210°C僅消耗最大60 μA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。該器件的初始精度為±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的基準電壓輸入具有動態(tài)輸入阻抗,因此必須利用低阻抗源驅(qū)動,REF引腳與GND之間應(yīng)有效去耦,如圖5所示。除了ADC驅(qū)動器應(yīng)用,AD8634同樣適合用作基準電壓緩沖器。
 
使用基準電壓緩沖器的另一個好處是,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,49.9 Ω電阻和47 μF電容提供大約67 Hz的截止頻率。
 
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圖5. SAR ADC基準電壓緩沖器和RC濾波器。
 
轉(zhuǎn)換期間,AD7981基準電壓輸入端可能出現(xiàn)高達2.5 mA的電流尖峰。在盡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,以便提供該電流并使基準電壓輸入端噪聲保持較低水平。一般而言,采用低ESR——10 μF或更高——陶瓷電容,但對于高溫應(yīng)用來說會有問題,因為缺少可用的高數(shù)值、高溫陶瓷電容。因此,選擇一個低ESR、47 μF鉭電容,其對電路性能的影響極小。
 
數(shù)字接口
 
AD7981提供一個兼容SPI、QSPI和其他數(shù)字主機的靈活串行數(shù)字接口。該接口既可配置為簡單的3線模式以實現(xiàn)最少的I/O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。4線模式還支持CNV(轉(zhuǎn)換輸入)的獨立回讀時序,使得多個轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)同步采樣。
 
本參考設(shè)計使用的PMOD兼容接口實現(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。轉(zhuǎn)接板將參考設(shè)計板與ADI系統(tǒng)開發(fā)平臺 (SDP) 板相連,并可通過USB連接PC,以便運行軟件、評估性能。
 
電源
 
本參考設(shè)計的 +5 V和 −2.5 V供電軌需要外部低噪聲電源。由于AD7981是低功耗器件,因此可通過基準電壓緩沖器直接供電。這樣便不再需要額外的供電軌——節(jié)省電源和電路板空間。通過基準電壓緩沖器為ADC供電的正確配置如圖6所示。如果邏輯電平兼容,那么還可以使用VIO。就參考設(shè)計板而言,VIO通過PMOD兼容接口由外部供電,以實現(xiàn)最高的靈活性。
 
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圖6. 從基準電壓緩沖器為ADC供電。
 
175°C時,整個數(shù)據(jù)采集解決方案的典型總功耗可計算如下:
 
ADR225: 30 µA × 5 V = 0.15 mW
 
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
 
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、特性測試、可靠性認證和生產(chǎn)測試。專門針對極端溫度設(shè)計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。
 
耐高溫封裝的一個主要失效機制是焊線與焊墊界面失效,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后就會發(fā)生,如圖7所示。
 
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圖7. 195°C下500小時后鋁墊上的金球焊。
 
為了避免失效,ADI公司利用焊盤金屬化 (OPM) 工藝產(chǎn)生一個金焊墊表面以供金焊線連接。這種單金屬系統(tǒng)不會形成金屬間化合物,經(jīng)過195°C、6000小時的浸泡式認證測試,已被證明非??煽?,如圖8所示。
 
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圖8. 195°C下6000小時后OPM墊上的金球焊。
 
雖然ADI公司已證明焊接在195°C時仍然可靠,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型號可用。同時有已知良品裸片 (KGD) 可供需要定制封裝的系統(tǒng)使用。
 
對于高溫 (HT) 產(chǎn)品,ADI公司有一套全面的可靠性認證計劃,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)手冊規(guī)定,HT產(chǎn)品在最高額定溫度下最少可工作1000小時。全面生產(chǎn)測試是保證每個器件性能的最后一步。ADI高溫系列中的每個器件都在高溫下進行生產(chǎn)測試,確保達到性能要求。
 
無源元件
 
應(yīng)當選擇耐高溫的無源元件。本設(shè)計使用175°C以上的薄膜型低TCR電阻。COG/NPO電容容值較低常用于濾波器和去耦應(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,在高溫下進行長時間測試時,應(yīng)當將其移除。同樣,0.1" 接頭連接器(J2和P3)上的絕緣材料在高溫時只能持續(xù)較短時間,因而在長時間高溫測試中也應(yīng)當予以移除。對于生產(chǎn)組裝而言,有多個供應(yīng)商提供用于HT額定連接器的多個選項,比如Micro-D類連接器。
 
PCB布局和裝配
 
在本電路的PCB設(shè)計中,模擬信號和數(shù)字接口位于ADC的相對兩側(cè),ADC IC之下或模擬信號路徑附近無開關(guān)信號。這種設(shè)計可以最大程度地降低耦合到ADC芯片和輔助模擬信號鏈中的噪聲。AD7981的所有模擬信號位于左側(cè),所有數(shù)字信號位于右側(cè),這種引腳排列可以簡化設(shè)計。基準電壓輸入REF具有動態(tài)輸入阻抗,應(yīng)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行溫度測試。完整的組件如圖9所示。關(guān)于其它布局布線建議,參見AD7981數(shù)據(jù)手冊。
 
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圖9. 參考設(shè)計電路組件。
 
針對高溫電路,應(yīng)當采用特殊電路材料和裝配技術(shù)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(zhuǎn)化溫度約為140°C。超過140°C時,PCB便開始破裂、分層,并對元器件造成壓力。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,因為這種焊料易于與銅走線形成銅金屬間化合物。常常采用鎳金表面處理,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(yīng)當使用高熔點焊料,熔點與系統(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,其熔點為217°C,相對于175°C的最高工作溫度有42°C的裕量。
 
性能預(yù)期
 
采用 1 kHz 輸入正弦信號和 5 V 基準電壓時,AD7981 的額定 SNR 典型值為 91 dB。然而,當使用較低基準電壓(比如 2.5 V,低功耗/低電壓系統(tǒng)常常如此),SNR 性能會有所下降。我們可以根據(jù)電路中使用的元件規(guī)格計算理論 SNR。由 AD8634 放大器數(shù)據(jù)手冊可知,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。由于緩沖器配置中的 AD8634 噪聲增益為 1,并且假定電流噪聲計算時可忽略串聯(lián)輸入電阻,則 AD8634 的等效輸出噪聲貢獻為:
 
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RC濾波器之后的ADC輸入端總積分噪聲為:
 
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AD7981的均方根噪聲可根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中的2.5 V基準電壓源典型信噪比(SNR,86 dB)計算得到。
 
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整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總均方根噪聲可通過AD8634和AD7981噪聲源的方和根 (RSS) 計算:
 
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因此,室溫 (25°C) 時的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)理論SNR可根據(jù)下式近似計算:
 
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測試結(jié)果
 
電路的交流性能在25°C至185°C溫度范圍內(nèi)進行評估。使用低失真信號發(fā)生器對性能進行特性化很重要。本測試使用Audio Precision SYS-2522。為了便于在烤箱中測試,使用了延長線,以便僅有參考設(shè)計電路暴露在高溫下。測試設(shè)置的功能框圖如圖10所示。
 
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圖10. 特性測試設(shè)置。
 
由前文設(shè)置中的計算可知,室溫下我們期望能達到大約86 dB的SNR。該值與我們在室溫下測出的86.2 dB SNR相當,如圖11中的FFT摘要所示。
 
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圖11. 1 kHz輸入信號音、580 kSPS、25℃時的交流性能。
 
評估電路溫度性能時,175°C時的SNR性能僅降低至約84 dB,如圖12所示。THD仍然優(yōu)于 −100 dB,如圖13所示。本電路在175°C時的FFT摘要如圖14所示。
 
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圖12. SNR隨溫度的變化(1 kHz輸入信號音、580 kSPS)。
 
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圖13. THD隨溫度的變化(1 kHz輸入信號音、580 kSPS)。
 
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圖14. 1 kHz輸入信號音、580 kSPS、175℃時的交流性能。
 
小結(jié)
 
本文中,我們提供了一個新的高溫數(shù)據(jù)采集參考設(shè)計,表述了室溫至175°C溫度范圍內(nèi)的特性。該電路是一個完整的低功耗 (
 
參考電路
 
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AD7981.
 
Digilent Pmod 規(guī)格.
 
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Walsh, Alan. “精密逐次逼近型ADC的基準電壓源設(shè)計.” Analog Dialogue,模擬對話,第47卷第2期,2013年。
 
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Zední?ek, Tomas, Zdeněk Sita, and Slavomir Pala. “適用于擴展工作溫度范圍的鉭電容技術(shù).”
 
 
 
 
 
 
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