适合高温环境应用的AD7981数据采集系统设计

适合高温环境应用的AD7981数据采集系统设计

电路描述

在两次转换之间，AD7981自动关断以节省功耗。 因此，功耗与采样速率成线性比例关系，使得该ADC对高低采样速率（甚至低至数Hz）均适合，并且可实现非常低的功耗，支持电池供电系统。 此外，可以使用过采样技术来提高低速信号的有效分辨率。

图2. AD7981连接图

ADC驱动器

此裕量要求使得负电源成为必要，所选负电源为2.5 V。

AD8634提供额定温度为175°C的8引脚SOIC封装和额定温度为210°C的8引脚FLATPACK封装。

本电路中，ADC驱动器为单位增益缓冲配置。 增加ADC驱动器增益会降低驱动器带宽，延长建立时间。 这种情况下可能需要降低ADC吞吐速率，或者在增益级之后再使用一个缓冲器作为驱动器。

基准电压源

像其他SAR ADC一样，AD7981的基准电压输入具有动态输入阻抗，因此必须利用低阻抗源驱动，REF引脚与GND之间应有效去耦，如图4所示。 除了ADC驱动器应用，AD8634同样适合用作基准电压缓冲器。

图4. SAR ADC基准电压缓冲器和RC滤波器

转换期间，AD7981基准电压输入端可能出现高达2.5 mA的电流尖峰。 在尽可能靠近基准电压输入端的地方放置一个大容值储能电容，以便提供该电流并使基准电压输入端噪声保持较低水平。 通常使用低ESR、10 μF或更大的陶瓷电容，但对于高温应用，没有陶瓷电容可用。 因此，选择一个低ESR、47 μF钽电容，其对电路性能的影响极小。

数字接口

电源

本参考设计的+5 V和？2.5 V供电轨需要外部低噪声电源。AD7981是低功耗器件，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，节省功耗和板空间。

图5. 从基准电压缓冲器为ADC基准电压源供电

IC封装和可靠性

耐高温封装的一个主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（塑料封装通常如此）。 高温会加速AuAl金属间化合物的生长。 正是这些金属间化合物引起焊接失效，如易脆焊接和空洞等，这些故障可能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

为了避免失效，ADI公司利用焊盘金属化（OPM）工艺产生一个金焊垫表面以供金焊线连接。 这种单金属系统不会形成金属间化合物，经过195°C、6000小时的浸泡式认证测试，已被证明非常可靠，如图7所示。

图7. 195°C时6000小时后OPM垫上的金球焊

虽然ADI公司已证明焊接在195°C时仍然可靠，但受限于塑封材料的玻璃转化温度，塑料封装的额定最高工作温度仅为175°C。

除了本电路所用的额定175°C产品，还有采用陶瓷FLATPACK封装的额定210°C型号可用。 同时有已知良品裸片（KGD）可供需要定制封装的系统使用。

对于高温产品，ADI公司有一套全面的可靠性认证计划，包括器件在最高工作温度下偏置的高温工作寿命（HTOL）。 数据手册规定，高温产品在最高额定温度下最少可工作1000小时。 全面生产测试是保证每个器件性能的最后一步。 ADI高温系列中的每个器件都在高温下进行生产测试，确保达到性能要求。

无源元件

必须选择耐高温的无源元件。 本设计使用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应用，其温度系数非常平坦。 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连接器的额定温度为165°C，因此，在高温下进行长时间测试时，必须将其移除。 同样，0.1”接头连接器（J2和P3）上的绝缘材料在高温时只能持续较短时间，因而在长时间高温测试中也必须予以移除。

针对高温电路，必须采用特殊电路材料和装配技术来确保可靠性。 FR4是PCB叠层常用的材料，但商用FR4的典型玻璃转化温度约为140°C。 超过140°C时，PCB便开始破裂、分层，并对元器件造成压力。 高温装配广泛使用的替代材料是聚酰亚胺，其典型玻璃转化温度大于240°C。 本设计使用4层聚酰亚胺PCB。

PCB表面也需要注意，特别是配合含锡的焊料使用时，因为这种焊料易于与铜走线形成金属间化合物。 常常采用镍金表面处理，其中镍提供一个壁垒，金则为接头焊接提供一个良好的表面。 此外，必须使用高熔点焊料，熔点与系统最高工作温度之间应有合适的裕量。 本装配选择SAC305无铅焊料， 其熔点为217°C，相对于175°C的最高工作温度有42°C的裕量。

性能预期

采用1 kHz输入信号音和5 V基准电压时，AD7981的额定SNR典型值为91 dB。 然而，当使用较低基准电影所时（低功耗/低电压系统常常如此），SNR性能会有所下降。 根据AD7981数据手册中的性能曲线，在室温和2.5 V基准电压时，预期SNR约为86 dB。 该SNR值与室温时测试本电路所实现的性能（约86 dB SNR）符合得很好，如图8所示。

图8. 1 kHz输入信号音、580 kSPS、25°C时的交流性能

当温度升高至175°C时，SNR性能仅降低至约84 dB，如图9所示。 THD仍然优于？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随温度的变化（1 kHz输入信号音、580 kSPS）

图10. THD随温度的变化（1 kHz输入信号音、580 kSPS）

图11. 1 kHz输入信号音、580 kSPS、175°C时的交流性能

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