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          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

          作者: 時間:2017-06-03 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/347004.htm

          電路功能與優(yōu)勢
          越來越多的應(yīng)用要求必須在極高環(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(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的外部源,本應(yīng)用選擇的源為微功耗2.5 V精密基準(zhǔn)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(原理示意圖:未顯示去耦和所有連接)


          電路描述


          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。


          ADR225 2.5 V基準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)電壓緩沖器。

          使用基準(zhǔn)電壓緩沖器的另一個好處是,基準(zhǔn)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(zhǔn)電壓緩沖器和RC濾波器


          轉(zhuǎn)換期間,AD7981基準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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。


          AD7981提供一個兼容SPI、QSPI和其他數(shù)字主機的靈活串行。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-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(zhǔn)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(zhǔn)電壓緩沖器為ADC基準(zhǔn)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(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?;鶞?zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)電壓時,AD7981的額定SNR典型值為91 dB.然而,當(dāng)使用較低基準(zhǔn)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(zhǔn)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(dāng)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、-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板和EVAL--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(biāo)。

          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



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