CN0365 適合高溫環(huán)境的16位、600 kSPS低功耗數據采集系統

CN0365 本電路采用EVAL-CN0365-PMDZ 路板、 SDP-PMD-IB1Z 轉接板和EVAL-SDP-CB1Z演示平臺 (SDP) 板。轉接板 和 SDP 板采用 120 引腳對接連接器。轉接板和 EVAL-CN0365- PMDZ 板采用 12 引腳 PMOD 對接連接器，可快速進行設置 和評估電路性能。 EVAL-CN0365-PMDZ 板包含要評估的電 路 ( 如 CN-0365 所述 ) ， SDP 評估板與CN-0365評估軟件配合 使用。 設備要求 需要以下設備： EVAL-CN0365-PMDZ板 系統演示平臺 ( EVAL-SDP-CB1Z ) PMOD/SDP 轉接板 ( SDP-PMD-IB1Z ) CN-0365 評估軟件 函數發(fā)生器 / 信號源，例如這些測試中使用的 Audio Precision SYS-2522 電源： +5 V 和 ?2.5 V 電源： +6 V 壁式電源適配器 (EVAL-CFTL-6V-PWRZ) 帶 USB 端口和 USB 線纜的 PC ，運行 Windows? XP (SP2) 、 Windows Vista 或 Windows 7 Business/Enterprise/Ultimate 版 (32 位或 64 位 ) ?開始使用 要開始使用，請執(zhí)行以下步驟： 從ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0365下載 CN-0365 評估 軟件 到 PC 。 先安裝該軟件，再將 SDP 板連接到 PC 的 USB 端口，確保 PC 正確識別 SDP 板。 解壓縮下載的文件。 運行 setup.exe文件。 按照屏幕提示操作，完成安裝。建議將所有軟件安裝在 默認位置。 功能框圖 圖 12 所示為測試設置的功能框圖。 圖 12. 用于測量交流性能的電路測試設置 ?設置 設置電路的步驟如下： 通過直流管式插孔將 EVAL-CFTL-6V-PWRZ (+6 V 直流電 源 ) 連接到 SDP-PMD-IB1Z 轉接板。 通過 120 引腳 CON A 連接器將 SDP-PMD-IB1Z 轉接板連接 到 EVAL-SDP-CB1Z SDP 板。 通過 USB 電纜將 EVAL-SDP-CB1Z SDP 板連接到 PC 通過 12 引腳接頭 PMOD 連接器將 EVAL-CN0365-PMDZ 評 估板連接到 SDP-PMD-IB1Z 轉接板。 將 +5 V (V S +) 和 ?2.5 V (VS ?) 電源連接到 EVAL-CN0365-PMDZ P3 接頭。默認配置中， VDD 電壓 (2.5 V) 不需要外部連接， 因為它是在板上產生。 通過 SMA 連接器將信號源連接到 EVAL-CN0365-PMDZ 。 將 Audio Precision SYS-2522( 或同等信號發(fā)生器 ) 設置為 1 kHz 頻率和 2.5 V p-p 正弦波，并具有 1.25 V 直流偏移。 ?測試 啟動評估軟件。如果 Windows 設備管理器中出現“ Analog Devices System Development Platform(ADI 系統開發(fā)平臺 ) ” 驅動器，軟件便能與 SDP 板通信。 USB 通信建立之后，便 可使用評估軟件測試、查看、保存電路性能指標。 ? 關于軟件操作的詳細信息，請參閱UG-340 和評估 8/10 引腳 PulSAR? 系列 14/16/18 位 ADC wiki 頁面 . 在環(huán)境室中進行溫度測試時，可使用延長線 ( 未提供 ) 連接 模擬輸入、電源和 PMOD 。這些延長線必須盡可能短，并 且必須采用最佳做法以避免噪聲。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，必須將其移除。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 測試中也必須予以移除。 EVAL-CN0365-PMDZ 板照片如圖 13 所示。 圖13. EVAL-CN0365-PMDZ 電路板的照片 模數轉換器 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，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：內核電源 (VDD) 和數字輸 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 系統所需的電源數量，并且它們與電源時序無關。 在兩次轉換之間， AD7981 自動關斷以節(jié)省功耗。因此，功 耗與采樣速率成線性比例關系，使得該 ADC 對高低采樣速 率 ( 甚至低至數 Hz) 均適合，并且可實現非常低的功耗，支 持電池供電系統。此外，可以使用過采樣技術來提高低速 信號的有效分辨率。 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 V REF 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 。圖 2 給出了連接示意圖。 圖 2. AD7981 連接圖 ADC 驅動器 AD7981 的輸入可直接從低阻抗信號源驅動；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 驅動器或運算放大器 ( 如 AD8634 ) 來驅動 AD7981 輸入，如圖 3 所示。在采集時間開始時，開關閉合，容性 DAC 在 ADC 輸入端注入一個電壓毛刺 ( 反沖 ) 。 ADC 驅動器 幫助此反沖穩(wěn)定下來，并將其與信號源相隔離。 低功耗 (1.3 mA/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傳感器信號調理 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。 此裕量要求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。 圖 3. SAR ADC 前端放大器和 RC 濾波器 ADC 驅動器與 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。最佳 RC 值的計算主 要基于輸入頻率和吞吐速率。對于所示實例， R = 85 且 C = 2.7 nF 是最佳值，產生 693 kHz 的截止頻率。詳細計算參見 Analog Dialogue 文章 : 精密 SAR 型模數轉換器的前端放大器 和 RC 濾波器設計 . 本電路中， ADC 驅動器為單位增益緩沖配置。增加 ADC 驅 動器增益會降低驅動器帶寬，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 A 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據采集電路。 ADR225 的初始精度為 ±0.4% ，可在 3.3 V 至 16 V 的寬電源范圍內工作。 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動， REF 引腳與 GND 之 間應有效去耦，如圖 4 所示。除了 ADC 驅動器應用， 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。在該電路 中， 49.9 電阻和 47 F 電容提供大約 67 Hz 的截止頻率。 圖 4. SAR ADC 基準電壓緩沖器和 RC 濾波器 轉換期間， AD7981 基準電壓輸入端可能出現高達 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。通常使用低 ESR 、 10 ?F 或更大的陶瓷電 容，但對于高溫應用，沒有陶瓷電容可用。因此，選擇一 個低 ESR 、 47 ?F 鉭電容，其對電路性能的影響極小。 數字接口 AD7981 提供一個兼容 SPI 、 QSPI 和其他數字主機的靈活串 行數字接口。該接口既可配置為簡單的 3 線模式以實現最 少的輸入 / 輸出數，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 線模式還支持 CNV( 轉換輸入 ) 的獨立回 讀時序，使得多個轉換器可實現同步采樣。 本參考設計使用的 PMOD 接口實現了簡單的 3 線模式， SDI 接 高電平 VIO 。 VIO 電壓是由 SDP-PMOD 轉接板從外部提供。 電源 本參考設計的 +5 V 和 ?2.5 V 供電軌需要外部低噪聲電源。 AD7981 是低功耗器件，可由基準電壓緩沖器直接供電，如 圖 5 所示，因而無需額外的供電軌，節(jié)省功耗和板空間。 圖 5. 從基準電壓緩沖器為 ADC 基準電壓源供電 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°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 6 所示。 圖 6. 195°C 時 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) 工藝產生 一個金焊墊表面以供金焊線連接。這種單金屬系統不會形 成金屬間化合物，經過 195°C 、 6000 小時的浸泡式認證測 試，已被證明非常可靠，如圖 7 所示 圖 7. 195°C 時 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使用。 對于高溫產品， 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) 。 數據手冊規(guī)定，高溫產品在最高額定溫度下最少可工作 1000 小時。全面生產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測 試，確保達到性能要求。 無源元件 必須選擇耐高溫的無源元件。本設計使用 175°C 以上的薄 膜型低 TCR 電阻。 COG/NPO 電容用于低值濾波器和去耦 應用，其溫度系數非常平坦。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，必須將其移除。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 測試中也必須予以移除。 PCB 布局和裝配 在本電路的 PCB 設計中，模擬信號和數字接口位于 ADC 的 相對兩側， IC 之下或模擬信號路徑附近無開關信號。這種 設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，所有數字 信號位于右側，這種引腳排列可以簡化設計?；鶞孰妷狠?入 REF 具有動態(tài)輸入阻抗，必須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。關于其他布局布線建議，參見 AD7981 數據手冊。 針對高溫電路，必須采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°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，其典型玻璃轉化溫度大于 240°C 。本設計 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，必須使用高熔點焊料，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°C ，相對于 175°C 的最高工作溫度 有 42°C 的裕量。 性能預期 采用 1 kHz 輸入信號音和 5 V 基準電壓時， AD7981 的額定 SNR 典型值為 91 dB 。然而，當使用較低基準電影所時 ( 低功耗 / 低 電壓系統常常如此 ) ， SNR 性能會有所下降。根據 AD7981 數據手冊中的性能曲線，在室溫和 2.5 V 基準電壓時，預期 SNR 約為 86 dB 。該 SNR 值與室溫時測試本電路所實現的性能 ( 約 86 dB SNR) 符合得很好，如圖 8 所示。 圖 8. 1 kHz 輸入信號音、 580 kSPS 、 25°C 時的交流性能 當溫度升高至 175°C 時， SNR 性能僅降低至約 84 dB ，如圖 9 所示。 THD 仍然優(yōu)于 ?100 dB ，如圖 10 所示。本電路在 175°C 時的 FFT 摘要如圖 11 所示。 圖 9. SNR 隨溫度的變化 (1 kHz 輸入信號音、 580 kSPS) 圖 10. THD 隨溫度的變化 (1 kHz 輸入信號音、 580 kSPS) 圖 11. 1 kHz 輸入信號音、 580 kSPS 、 175°C 時的交流性能 CN0365 適合高溫環(huán)境的16位、600 kSPS低功耗數據采集系統 越來越多的應用要求數據采集系統必須在極高環(huán)境溫度下可靠地工作，例如井下油氣鉆探、航空和汽車應用等。圖 1 所 示電路是一個 16 位、 600 kSPS 逐次逼近型模數轉換器 (ADC) 系統，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 。很多此類惡劣環(huán)境應用都采用電池供電， 因此該信號鏈針對低功耗而設計，同時仍然保持高性能。 圖 1. 耐高溫數據采集系統 ( 原理示意圖：未顯示去耦和所有連接) 本電路使用低功耗 (600 kSPS 時為 4.65 A) 、耐高溫 PulSAR? ADC AD7981 ，它直接從耐高溫、低功耗運算放大器 AD8634 驅動。 AD7981 ADC 需要 2.4 V 至 5.1 V 的外部基準電壓源，本應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 60μA) 。 本設計中的所有 IC 封裝都是專門針對高溫環(huán)境而設計，包括單金屬線焊。此外，本設計說明了無源元件、印刷電路 板 (PCB) 材料和建構技術的選擇，以使其能在極端溫度下工作， 并且提供了完整的設計支持包，包括物料清單、原理圖、裝配和布局文件。 CN0365 CN0365

• 16位、600kSPS數據采集系統
• 系統保證溫度：+175°C
• 低功耗

(analog)