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ADI:用于高温电子使用的低功耗数据收集解决方案

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 简介越来越多的应用要求数据采集系统必须在极高环

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简介

越来越多的运用要求数据收集体系有必要在极高环境温度下牢靠地作业,例如井下油气钻探、航空和轿车运用等。尽管这些职业的终究运用不尽相同,但某些信号调度需求却是一起的。这些体系的首要部分要求对多个传感器进行准确数据收集,或许要求高采样速率。此外,许多这样的运用都有很严厉的功率预算,因为它们选用电池供电,或许无法耐受本身电子元件发热导致的额外升温。因而,需求用到能够在温度规模内坚持高精度,而且能够轻松用于各种场景的低功耗模数转化器 (ADC) 信号链。这类信号链见图1;该图描绘了一个井下钻探仪器。

尽管额外温度为175°C的商用IC数量依然较少,但近年来这一数量正在添加,尤其是比方信号调度和数据转化等中心功用。这便促进电子工程师快速牢靠地规划用于高温运用的产品,并完结曩昔无法完成的功用。尽管许多这类IC在温度规模内具有杰出的特性化,但也仅限于该器材的功用。明显,这些元件短少电路级信息,使其无法在实际体系中完成最佳功用。

本文中,咱们供给了一个新的高温数据收集参阅规划,该规划在室温至175°C温度规模内进行特征化。该电路旨在供给一个完好的数据收集电路构建块,可获取模仿传感器输入、对其进行调度,并将其特征化为SPI串行数据流。该规划功用十分丰富,可用作单通道运用,也可扩展为多通道同步采样运用。因为认识到低功耗的重要性,该ADC的功耗与采样速率成线性比例关系。该ADC还可由基准电压源直接供电,无需额外的电源轨,然后不存在功率转化相关的低效率。这款参阅规划是现成的,可便利规划人员进行测验,包含悉数原理图、物料清单、PCB布局图和测验软件。

Figure 1
图1. 井下仪器数据收集信号链。
Figure 2
图2. 数据收集电路简化原理图。

电路概览

图1所示电路是一个16位、600 kSPS逐次迫临型模数转化器体系,其所用器材的额外温度、特性测验温度和功用保证温度为175°C。许多恶劣环境运用都选用电池供电,因而该信号链针对低功耗而规划,一起依然坚持高功用。

本电路运用低功耗(600 kSPS时为4.65 mW)、耐高温PulSAR® ADCAD7981,它直接从耐高温、低功耗运算放大器AD8634驱动。AD7981 ADC需求2.4 V至5.1 V的外部基准电压源,本运用挑选的基准电压源为微功耗2.5 V精细基准源ADR225 ,后者也通过了高温作业认证,并具有十分低的静态电流(210°C时最大值为60 μA)。本规划中的一切IC封装都是专门针对高温环境而规划,包含单金属线焊。

模数转化器

本电路的中心是16位、低功耗、单电源ADC AD7981,它选用逐次迫临架构,最高支撑600 kSPS的采样速率。如图1所示,AD7981运用两个电源引脚:内核电源 (VDD) 和数字输入/输出接口电源 (VIO)。VIO引脚能够与1.8 V至5.0 V的任何逻辑直接接口。VDD和VIO引脚也能够连在一起以节约体系所需的电源数量,而且它们与电源时序无关。图3给出了衔接示意图。

AD7981在600 kSPS时功耗典型值仅为4.65 mW,并能在两次转化之间主动关断,以节约功耗。因而,功耗与采样速率成线性比例关系,使得该ADC对凹凸采样速率——乃至低至数Hz——均适宜,而且可完成十分低的功耗,支撑电池供电体系。此外,能够运用过采样技能来提凹凸速信号的有用分辨率。

Figure 3
图3. AD7981运用图。

AD7981有一个伪差分模仿输入结构,可对IN+ 与IN− 输入之间的真差分信号进行采样,并按捺这两个输入共有的信号。IN+ 输入支撑0 V至VREF的单极性、单端输入信号,IN− 输入的规模受限,为GND至100 mV。AD7981的伪差分输入简化了ADC驱动器要求并下降了功耗。AD7981选用10引脚MSOP封装,额外温度为175°C。

ADC驱动器

AD7981的输入可直接从低阻抗信号源驱动;但是,高源阻抗会明显下降功用,尤其是总谐波失真 (THD)。因而,引荐运用ADC驱动器或运算放大器(如AD8634)来驱动AD7981输入,如图4所示。在收集时刻开端时,开关闭合,容性DAC在ADC输入端注入一个电压毛刺(反冲)。ADC驱动器协助此反冲稳定下来,并将其与信号源相阻隔。

低功耗(1 mA/放大器)双通道精细运算放大器AD8634适宜此使命,因为其超卓的直流和沟通特性对传感器信号调度和信号链的其他部分十分有利。尽管AD8634具有轨到轨输出,但输入要求从正供电轨到负供电轨具有300 mV裕量。这就使得负电源成为必要,所选负电源为 –2.5 V。AD8634供给额外温度为175°C的8引脚SOIC封装和额外温度为210°C的8引脚FLATPACK封装。

Figure 4
图4. ADC前端放大器电路。

ADC驱动器与AD7981之间的RC滤波器衰减AD7981输入端注入的反冲,并约束进入此输入端的噪声带宽。不过,过大的限带或许会添加树立时刻和失真。因而,为该滤波器找到最优RC值很重要。其核算首要依据输入频率和吞吐速率。

由AD7981数据手册可知,内部采样电容CIN = 30 pF且tCONV = 900 ns,因而正如所描绘的,关于10 kHz输入信号而言,假定ADC作业在600 kSPS且CEXT = 2.7 nF,则用于2.5 V基准电压源的电压步进为:

Equation 1
Equation 2

因而,在16位处树立至½ LSB所需的时刻常数数量为:

Equation 3

AD7981的收集时刻为:

Equation 4

通过下式可核算RC滤波器的带宽:

Equation 5

这是一个理论值,其一阶近似应当在实验室中进行验证。通过测验可知最优值为REXT = 85 Ω和CEXT = 2.7 nF (f–3dB = 693.48 kHz),此刻在高达175°C的扩展温度规模内具有超卓的功用。

在参阅规划中,ADC驱动器选用单位增益缓冲器装备。添加ADC驱动器增益会下降驱动器带宽,延伸树立时刻。这种情况下或许需求下降ADC吞吐速率,或许在增益级之后再运用一个缓冲器作为驱动器。

基准电压源

ADR225 2.5 V基准电压源在时210°C仅耗费最大60 μA的静态电流,并具有典型值40 ppm/°C的超低漂移特性,因而十分适宜用于该低功耗数据收集电路。该器材的初始精度为±0.4%,可在3.3 V至16 V的宽电源规模内作业。

像其他SAR ADC相同,AD7981的基准电压输入具有动态输入阻抗,因而有必要运用低阻抗源驱动,REF引脚与GND之间应有用去耦,如图5所示。除了ADC驱动器运用,AD8634相同适宜用作基准电压缓冲器。

运用基准电压缓冲器的另一个优点是,基准电压输出端噪声可通过添加一个低通RC滤波器来进一步下降,如图5所示。在该电路中,49.9 Ω电阻和47 μF电容供给大约67 Hz的截止频率。

Figure 5
图5. SAR ADC基准电压缓冲器和RC滤波器。

转化期间,AD7981基准电压输入端或许呈现高达2.5 mA的电流尖峰。在尽或许接近基准电压输入端的当地放置一个大容值储能电容,以便供给该电流并使基准电压输入端噪声坚持较低水平。一般来说,选用低ESR——10 μF或更高——陶瓷电容,但关于高温运用来说会有问题,因为短少可用的高数值、高温陶瓷电容。因而,挑选一个低ESR、47 μF钽电容,其对电路功用的影响极小。

数字接口

AD7981供给一个兼容SPI、QSPI和其他数字主机的灵敏串行数字接口。该接口既可装备为简略的3线形式以完成最少的I/O数,也可装备为4线形式以供给菊花链回读和繁忙指示选项。4线形式还支撑CNV(转化输入)的独立回读时序,使得多个转化器可完成同步采样。

本参阅规划运用的PMOD兼容接口完成了简略的3线形式,SDI接高电平VIO。VIO电压是由SDP-PMOD转接板从外部供给。转接板将参阅规划板与ADI体系开发渠道 (SDP) 板相连,并可通过USB衔接PC,以便运转软件、评价功用。

电源

本参阅规划的 +5 V和 −2.5 V供电轨需求外部低噪声电源。因为AD7981是低功耗器材,因而可通过基准电压缓冲器直接供电。这样便不再需求额外的供电轨——节约电源和电路板空间。通过基准电压缓冲器为ADC供电的正确装备如图6所示。假如逻辑电平兼容,那么还能够运用VIO。就参阅规划板而言,VIO通过PMOD兼容接口由外部供电,以完成最高的灵敏性。

Figure 6
图6. 从基准电压缓冲器为ADC供电。

175°C时,整个数据收集解决方案的典型总功耗可核算如下:

ADR225: 30 µA × 5 V = 0.15 mW

AD8634:(1 mA × 2个放大器)× 7.5 V = 15 mW

AD7981: 4.65 mW @ 600 kSPS

总功耗 = 19.8 mW

IC封装和牢靠性

ADI公司高温系列中的器材要阅历特别的工艺流程,包含规划、特性测验、牢靠性认证和出产测验。专门针对极点温度规划特别封装是该流程的一部分。本电路中的175°C塑料封装选用一种特别资料。

耐高温封装的一个首要失效机制是焊线与焊垫界面失效,尤其是金 (Au) 和铝 (Al) 混合时(塑料封装一般如此)。高温会加快AuAl金属间化合物的成长。正是这些金属间化合物引起焊接失效,如易脆焊接和空泛等,这些毛病或许在几百小时之后就会发作,如图7所示。

Figure 7
图7. 195°C下500小时后铝垫上的金球焊。

为了防止失效,ADI公司运用焊盘金属化 (OPM) 工艺发生一个金焊垫外表以供金焊线衔接。这种单金属体系不会构成金属间化合物,通过195°C、6000小时的浸泡式认证测验,已被证明十分牢靠,如图8所示。

Figure 8
图8. 195°C下6000小时后OPM垫上的金球焊。

尽管ADI公司已证明焊接在195°C时依然牢靠,但受限于塑封资料的玻璃转化温度,塑料封装的额外最高作业温度仅为175°C。除了本电路所用的额外175°C产品,还有选用陶瓷FLATPACK封装的额外210°C类型可用。一起有已知良品裸片 (KGD) 可供需求定制封装的体系运用。

关于高温 (HT) 产品,ADI公司有一套全面的牢靠性认证方案,包含器材在最高作业温度下偏置的高温作业寿数 (HTOL)。数据手册规则,HT产品在最高额外温度下最少可作业1000小时。全面出产测验是保证每个器材功用的最终一步。ADI高温系列中的每个器材都在高温下进行出产测验,保证到达功用要求。

无源元件

应当挑选耐高温的无源元件。本规划运用175°C以上的薄膜型低TCR电阻。COG/NPO电容容值较低常用于滤波器和去耦运用,其温度系数十分平整。耐高温钽电容有比陶瓷电容更大的容值,常用于电源滤波。本电路板所用SMA衔接器的额外温度为165°C,因而,在高温下进行长时刻测验时,应当将其移除。相同,0.1" 接头衔接器(J2和P3)上的绝缘资料在高温时只能继续较短时刻,因而在长时刻高温测验中也应当予以移除。关于出产拼装而言,有多个供货商供给用于HT额外衔接器的多个选项,比方Micro-D类衔接器。

PCB布局和安装

在本电路的PCB规划中,模仿信号和数字接口坐落ADC的相对两边,ADC IC之下或模仿信号途径邻近无开关信号。这种规划能够最大程度地下降耦合到ADC芯片和辅佐模仿信号链中的噪声。AD7981的一切模仿信号坐落左边,一切数字信号坐落右侧,这种引脚摆放能够简化规划。基准电压输入REF具有动态输入阻抗,应当用极小的寄生电感去耦,为此须将基准电压去耦电容放在尽量接近REF和GND引脚的当地,并用低阻抗的宽走线衔接该引脚。本电路板的元器材成心全都放在正面,以便利从反面加热进行温度测验。完好的组件如图9所示。关于其它布局布线主张,拜见AD7981数据手册。

Figure 9
图9. 参阅规划电路组件。

针对高温电路,应当选用特别电路资料和安装技能来保证牢靠性。FR4是PCB叠层常用的资料,但商用FR4的典型玻璃转化温度约为140°C。超越140°C时,PCB便开端决裂、分层,并对元器材构成压力。高温安装广泛运用的代替资料是聚酰亚胺,其典型玻璃转化温度大于240°C。本规划运用4层聚酰亚胺PCB。

PCB外表也需求留意,特别是合作含锡的焊料运用时,因为这种焊料易于与铜走线构成铜金属间化合物。常常选用镍金外表处理,其间镍供给一个壁垒,金则为接头焊接供给一个杰出的外表。此外,应当运用高熔点焊料,熔点与体系最高作业温度之间应有适宜的裕量。本安装挑选SAC305无铅焊料,其熔点为217°C,相关于175°C的最高作业温度有42°C的裕量。

功用预期

选用 1 kHz 输入正弦信号和 5 V 基准电压时,AD7981 的额外 SNR 典型值为 91 dB。但是,当运用较低基准电压(比方 2.5 V,低功耗/低电压体系常常如此),SNR 功用会有所下降。咱们能够依据电路中运用的元件标准核算理论 SNR。由 AD8634 放大器数据手册可知,其输入电压噪声密度为4.2 nV/Hz,电流噪声密度为 0.6 pA/Hz。因为缓冲器装备中的 AD8634 噪声增益为 1,而且假定电流噪声核算时可疏忽串联输入电阻,则 AD8634 的等效输出噪声奉献为:

Equation 6

RC滤波器之后的ADC输入端总积分噪声为:

Equation 7

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