一款高性能低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)詳解

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(jì)，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(zhǔn)電壓源，本應(yīng)用選擇的基準(zhǔn)電壓源為微功耗2.5 V精密基準(zhǔn)源ADR225，后者也通過了高溫工作認(rèn)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(yùn)算放大器AD8634驅(qū)動。

本設(shè)計(jì)中的所有IC封裝都是專門針對高溫環(huán)境而設(shè)計(jì)，包括單金屬線焊。此外，本設(shè)計(jì)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(jì)支持包，包括物料清單、原理圖、裝配和布局文件。

圖1.耐高溫?cái)?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(shí)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(jìn)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(yùn)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(yùn)算放大器AD8634適合此任務(wù)，因?yàn)槠涑錾闹绷骱徒涣魈匦詫鞲衅餍盘栒{(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(fù)供電軌具有300 mV裕量。

此裕量要求使得負(fù)電源成為必要，所選負(fù)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(jìn)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(jì)算主要基于輸入頻率和吞吐速率。對于所示實(shí)例，R = 85Ω且C = 2.7 nF是最佳值，產(chǎn)生693 kHz的截止頻率。詳細(xì)計(jì)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(jì)。

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(zhǔn)電壓源

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(jìn)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(dá)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。