史上最牛：一款高性能低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計詳解，硬件電路分解、詳細設(shè)計參數(shù)分享

電路功能與優(yōu)勢
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。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（ADC）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.很多此類惡劣環(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。

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60μA）。

本電路使用低功耗（600 kSPS時為4.65μA）、耐高溫PulSAR ADC AD7981，它直接從耐高溫、低功耗運算放大器AD8634驅(qū)動。

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。此外，本設(shè)計說明了無源元件、印刷電路板（PCB）材料和建構(gòu)技術(shù)的選擇，以使其能在極端溫度下工作，并且提供了完整的設(shè)計支持包，包括物料清單、原理圖、裝配和布局文件。

圖1.耐高溫數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）

電路描述

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)。

在兩次轉(zhuǎn)換之間，AD7981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。

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.圖2給出了連接示意圖。

圖2. AD7981連接圖

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3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（1.3 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。

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(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。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 = 85Ω且C = 2.7 nF是最佳值，產(chǎn)生693 kHz的截止頻率。詳細計算參見Analog Dialogue文章：精密SAR型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前端放大器和RC濾波器設(shè)計。

本電路中，ADC驅(qū)動器為單位增益緩沖配置。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60μA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。ADR225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4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。在該電路中，49.9Ω電阻和47μF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(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。通常使用低ESR、10μF或更大的陶瓷電容，但對于高溫應(yīng)用，沒有陶瓷電容可用。因此，選擇一個低ESR、47μF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)最少的輸入/輸出數(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。

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。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(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(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(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，高溫產(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
必須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電容用于低值濾波器和去耦應(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，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(shè)計中，模擬信號和數(shù)字接口位于ADC的相對兩側(cè)，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，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(guān)于其他布局布線建議，參見AD7981數(shù)據(jù)手冊。

針對高溫電路，必須采用特殊電路材料和裝配技術(shù)來確?？煽啃浴R4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(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(tǒng)常常如此），SNR性能會有所下降。根據(jù)AD7981數(shù)據(jù)手冊中的性能曲線，在室溫和2.5 V基準電壓時，預(yù)期SNR約為86 dB.該SNR值與室溫時測試本電路所實現(xiàn)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

電路評估與測試
本電路采用EVAL-CN0365-PMDZ電路板、SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板和EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)演示平臺（SDP）板。轉(zhuǎn)接板和SDP板采用120引腳對接連接器。轉(zhuǎn)接板和EVAL-CN0365-PMDZ板采用12引腳PMOD對接連接器，可快速進行設(shè)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(shè)備要求
需要以下設(shè)備：

。EVAL-CN0365-PMDZ板

。系統(tǒng)演示平臺（EVAL-SDP-CB1Z）

。PMOD/SDP轉(zhuǎn)接板（SDP-PMD-IB1Z）

。CN-0365評估軟件

。函數(shù)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：

1.從ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0365下載CN-0365評估軟件到PC.

2.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。

3.解壓縮下載的文件。

4.運行setup.exe文件。

5.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(shè)置的功能框圖。

設(shè)置
設(shè)置電路的步驟如下：

1.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(zhuǎn)接板。

2.通過120引腳CON A連接器將SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板連接到EVAL-SDP-CB1Z SDP板。

3.通過USB電纜將EVAL-SDP-CB1Z SDP板連接到PC.

4.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(zhuǎn)接板。

5.將+5 V （VS+）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(chǎn)生。

6.通過SMA連接器將信號源連接到EVAL-CN0365-PMDZ.

7.將Audio Precision SYS-2522（或同等信號發(fā)生器）設(shè)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(shè)備管理器中出現(xiàn)“Analog Devices System Development Platform（ADI系統(tǒng)開發(fā)平臺）”驅(qū)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(guān)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12.用于測量交流性能的電路測試設(shè)置

圖13. EVAL-CN0365-PMDZ電路板的照片