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。雖然這些行業(yè)的最終應(yīng)用不盡相同，但某些信號調(diào)理需求卻是共同的。這些系統(tǒng)的主要部分要求對多個傳感器進(jìn)行精確數(shù)據(jù)采集，或者要求高采樣速率。此外，很多這樣的應(yīng)用都有很嚴(yán)格的功率預(yù)算，因為它們采用電池供電，或者無法耐受自身電子元件發(fā)熱導(dǎo)致的額外升溫。因此，需要用到可以在溫度范圍內(nèi)保持高精度，并且可以輕松用于各種場景的低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 信號鏈。這類信號鏈見圖1；該圖描繪了一個井下鉆探儀器。

雖然額定溫度為175°C的商用IC數(shù)量依然較少，但近年來這一數(shù)量正在增加，尤其是諸如信號調(diào)理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等核心功能。這便促使電子工程師快速可靠地設(shè)計用于高溫應(yīng)用的產(chǎn)品，并完成過去無法實現(xiàn)的性能。雖然很多這類IC在溫度范圍內(nèi)具有良好的特性化，但也僅限于該器件的功能。顯然，這些元件缺少電路級信息，使其無法在現(xiàn)實系統(tǒng)中實現(xiàn)最佳性能。

本文中，我們提供了一個新的高溫數(shù)據(jù)采集參考設(shè)計，該設(shè)計在室溫至175°C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行特征化。該電路旨在提供一個完整的數(shù)據(jù)采集電路構(gòu)建塊，可獲取模擬傳感器輸入、對其進(jìn)行調(diào)理，并將其特征化為SPI串行數(shù)據(jù)流。該設(shè)計功能非常豐富，可用作單通道應(yīng)用，也可擴展為多通道同步采樣應(yīng)用。由于認(rèn)識到低功耗的重要性，該ADC的功耗與采樣速率成線性比例關(guān)系。該ADC還可由基準(zhǔn)電壓源直接供電，無需額外的電源軌，從而不存在功率轉(zhuǎn)換相關(guān)的低效率。

電路概覽

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。

本電路使用低功耗（600 kSPS時為4.65 mW）、耐高溫PulSAR? ADCAD7981，它直接從耐高溫、低功耗運算放大器AD8634驅(qū)動。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60 μA）。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。

圖1. 井下儀器數(shù)據(jù)采集信號鏈。

圖2. 數(shù)據(jù)采集電路簡化原理圖。

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)。圖3給出了連接示意圖。

AD7981在600 kSPS時功耗典型值僅為4.65 mW，并能在兩次轉(zhuǎn)換之間自動關(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。

圖3. AD7981應(yīng)用圖。

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。

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)，ADC 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(zhǔn)電壓輸入REF具有動態(tài)輸入阻抗，應(yīng)當(dāng)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(jìn)行溫度測試。完整的組件如圖9所示。關(guān)于其它布局布線建議，參見AD7981數(shù)據(jù)手冊。

圖4. 參考設(shè)計電路組件。

針對高溫電路，應(yīng)當(dāng)采用特殊電路材料和裝配技術(shù)來確?？煽啃?。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(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銅金屬間化合物。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，應(yīng)當(dāng)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。

小結(jié)

本文中，我們提供了一個新的高溫數(shù)據(jù)采集參考設(shè)計，表述了室溫至175°C溫度范圍內(nèi)的特性。該電路是一個完整的低功耗 (<20 mW) 數(shù)據(jù)采集電路構(gòu)建塊，可獲取模擬傳感器輸入、對其進(jìn)行調(diào)理，并將其數(shù)字化為SPI串行數(shù)據(jù)流。