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，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。

在兩次轉(zhuǎn)換之間，AD7981自動關斷以節(jié)省功耗。 因此，功耗與采樣速率成線性比例關系，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，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，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 = 85 Ω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60 μA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之間應有效去耦，如圖4所示。 除了ADC驅(qū)動器應用，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，49.9 Ω電阻和47 μF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、10 μF或更大的陶瓷電容，但對于高溫應用，沒有陶瓷電容可用。 因此，選擇一個低ESR、47 μF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信號。 這種設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來確保可靠性。 FR4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