电路功用与优势
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。图1所示电路是一个16位、600 kSPS逐次迫临型模数转化器（ADC）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.许多此类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。
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，后者也经过了高温作业认证，并具有十分低的静态电流（210°C时最大值为60μA）。
本电路运用低功耗（600 kSPS时为4.65μA）、耐高温PulSAR ADC AD7981，它直接从耐高温、低功耗运算放大器AD8634驱动。
本规划中的一切IC封装都是专门针对高温环境而规划，包括单金属线焊。此外，本规划说明了无源元件、印刷电路板（PCB）资料和建构技能的挑选，以使其能在极点温度下作业，而且供给了完好的规划支撑包，包括物料清单、原理图、装置和布局文件。
图1.耐高温数据收集体系（原理示意图：未显现去耦和一切衔接）
电路描绘
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。
在两次转化之间，AD7981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，而且可完结十分低的功耗，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。
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.图2给出了衔接示意图。
图2. AD7981衔接图
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3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（1.3 mA/放大器）双通道精细运算放大器AD8634适宜此使命，由于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。
此裕量要求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。
图3. SAR ADC前端放大器和RC滤波器
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。最佳RC值的核算首要依据输入频率和吞吐速率。关于所示实例，R = 85Ω且C = 2.7 nF是最佳值，发生693 kHz的截止频率。具体核算拜见Analog Dialogue文章：精细SAR型模数转化器的前端放大器和RC滤波器规划。
本电路中，ADC驱动器为单位增益缓冲装备。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60μA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。ADR225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4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经过添加一个低通RC滤波器来进一步下降。在该电路中，49.9Ω电阻和47μF电容供给大约67 Hz的截止频率。
图4. 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。一般运用低ESR、10μF或更大的陶瓷电容，但关于高温运用，没有陶瓷电容可用。因而，挑选一个低ESR、47μF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线形式以完结最少的输入/输出数，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结同步采样。
本参阅规划运用的PMOD接口完结了简略的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。
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。AD7981是低功耗器材，可由基准电压缓冲器直接供电，如图5所示，因而无需额外的供电轨，节约功耗和板空间。
图5.从基准电压缓冲器为ADC基准电压源供电
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，包括规划、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生，如图6所示。
图6. 195°C时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，经过195°C、6000小时的浸泡式认证测验，已被证明十分牢靠，如图7所示。
图7. 195°C时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。
关于高温产品，ADI公司有一套全面的牢靠性认证方案，包括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，高温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
有必要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电容用于低值滤波器和去耦运用，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，有必要将其移除。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有必要予以移除。
PCB布局和装置
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，%&&&&&%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，有必要用极小的寄生电感去耦，为此须将基准电压去耦%&&&&&%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。关于其他布局布线主张，拜见AD7981数据手册。
针对高温电路，有必要选用特别电路资料和装置技能来保证牢靠性。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。高温装置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，由于这种焊料易于与铜走线构成金属间化合物。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，有必要运用高熔点焊料，熔点与体系最高作业温度之间应有适宜的裕量。本装置挑选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输入信号音和5 V基准电压时，AD7981的额外SNR典型值为91 dB.但是，当运用较低基准电影所时（低功耗/低电压体系常常如此），SNR功用会有所下降。依据AD7981数据手册中的功用曲线，在室温文2.5 V基准电压时，预期SNR约为86 dB.该SNR值与室温时测验本电路所完结的功用（约86 dB SNR）契合得很好，如图8所示。
图8. 1 kHz输入信号音、580 kSPS、25°C时的沟通功用
当温度升高至175°C时，SNR功用仅下降至约84 dB，如图9所示。THD依然优于？100 dB，如图10所示。本电路在175°C时的FFT摘要如图11所示。
图9. SNR随温度的改变（1 kHz输入信号音、580 kSPS）
图10. THD随温度的改变（1 kHz输入信号音、580 kSPS）
图11. 1 kHz输入信号音、580 kSPS、175°C时的沟通功用
电路评价与测验
本电路选用EVAL-CN0365-PMDZ电路板、SDP-PMD-IB1Z转接板和EVAL-SDP-CB1Z体系演示渠道（SDP）板。转接板和SDP板选用120引脚对接衔接器。转接板和EVAL-CN0365-PMDZ板选用12引脚PMOD对接衔接器，可快速进行设置和评价电路功用。EVAL-CN0365-PMDZ板包括要评价的电路（如CN-0365所述），SDP评价板与CN-0365评价软件合作运用。
设备要求
需求以下设备：
。EVAL-CN0365-PMDZ板
。体系演示渠道（EVAL-SDP-CB1Z）
。PMOD/SDP转接板（SDP-PMD-IB1Z）
。CN-0365评价软件
。函数发生器/信号源，例如这些测验中运用的Audio Precision SYS-2522
。电源：+5 V和？2.5 V
。电源：+6 V壁式电源适配器（EVAL-CFTL-6V-PWRZ）
。带USB端口和USB线缆的PC，运转Windows？ XP （SP2）、Windows Vista或Windows 7 Business/Enterprise/Ultimate版（32位或64位）
开端运用
要开端运用，请履行以下过程：
1.从ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0365下载CN-0365评价软件到PC.
2.先装置该软件，再将SDP板衔接到PC的USB端口，保证PC正确辨认SDP板。
3.解压缩下载的文件。
4.运转setup.exe文件。
5.依照屏幕提示操作，完结装置。主张将一切软件装置在默许方位。
功用框图
图12所示为测验设置的功用框图。
设置
设置电路的过程如下：
1.经过直流管式插孔将EVAL-CFTL-6V-PWRZ（+6 V直流电源）衔接到SDP-PMD-IB1Z转接板。
2.经过120引脚CON A衔接器将SDP-PMD-IB1Z转接板衔接到EVAL-SDP-CB1Z SDP板。
3.经过USB电缆将EVAL-SDP-CB1Z SDP板衔接到PC.
4.经过12引脚接头PMOD衔接器将EVAL-CN0365-PMDZ评价板衔接到SDP-PMD-IB1Z转接板。
5.将+5 V （VS+）和？2.5 V （VS？）电源衔接到EVAL-CN0365-PMDZ P3接头。默许装备中，VDD电压（2.5 V）不需求外部衔接，由于它是在板上发生。
6.经过SMA衔接器将信号源衔接到EVAL-CN0365-PMDZ.
7.将Audio Precision SYS-2522（或平等信号发生器）设置为1 kHz频率和2.5 V p-p正弦波，并具有1.25 V直流偏移。
测验
发动评价软件。假如Windows设备管理器中呈现“Analog Devices System Development Platform（ADI体系开发渠道）”驱动器，软件便能与SDP板通讯。USB通讯树立之后，便可运用评价软件测验、检查、保存电路功用指标。
关于软件操作的具体信息，请参阅UG-340和评价8/10引脚PulSAR？系列14/16/18位ADC wiki页面。
在环境室中进行温度测验时，可运用延伸线（未供给）衔接模仿输入、电源和PMOD.这些延伸线有必要尽或许短，而且有必要选用最佳做法以防止噪声。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，有必要将其移除。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有必要予以移除。
EVAL-CN0365-PMDZ板相片如图13所示。
图12.用于丈量沟通功用的电路测验设置
图13. EVAL-CN0365-PMDZ电路板的相片
