當(dāng)我們想到惡劣的環(huán)境時，毫無疑問，這個星球上最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用之一就是井下鉆探。油田服務(wù)公司正在推動技術(shù)極限，以設(shè)計必須經(jīng)受極壓，沖擊和振動的精密設(shè)備，同時具有較長的電池壽命并適合非常小的外形尺寸。然而，在這種環(huán)境下使用電子設(shè)備的最大挑戰(zhàn)可能是極端溫度。這些高溫是深度的函數(shù);而平均地?zé)崽荻燃s為25°C / km，在某些地區(qū)可能更高。由于全球能源需求的增加，有動力鉆探和開發(fā)這些較熱的井，以前這樣做是不可行的。不幸的是，在這種環(huán)境中冷卻電子設(shè)備不是一種選擇。正因?yàn)槿绱耍瑯I(yè)界正在呼吁精密儀器必須在200°C以上可靠地運(yùn)行。實(shí)際上，失敗的高成本強(qiáng)調(diào)了可靠性的重要性。位于地下數(shù)英里的鉆柱上的電子組件可能需要一天多的時間來取回和更換 - 并且運(yùn)行復(fù)雜的深水海上鉆井平臺的速度每天可超過50萬美元。

除了石油和天然氣勘探，還有其他新興的高溫電子應(yīng)用。航空業(yè)朝著“更多電動飛機(jī)”的方向發(fā)展。該計劃的一部分旨在用分布式控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的集中式發(fā)動機(jī)控制器，使發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)更靠近發(fā)動機(jī)，大大降低了互連的復(fù)雜性并節(jié)省了成本。數(shù)百磅的飛機(jī)重量。該計劃的另一個方面是用電力電子設(shè)備和電子控制裝置取代液壓系統(tǒng)，以提高可靠性并降低維護(hù)成本。控制電子設(shè)備理想地需要非?？拷聞悠?，這再次產(chǎn)生高環(huán)境溫度環(huán)境。與航空電子噴氣發(fā)動機(jī)類似，用于發(fā)電的重型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)需要控制系統(tǒng)和儀表。

高溫額定IC

過去，高溫電子設(shè)計師被迫由于高溫IC不可用，使用高于其額定規(guī)格的元件。雖然某些標(biāo)準(zhǔn)溫度IC可能具有高于規(guī)格的有限功能，但這是一項艱巨而冒險的嘗試，并且無法保證可靠性或性能。例如，工程師必須識別潛在的候選人，完全測試和表征溫度下的性能，并在很長一段時間內(nèi)確定部件的可靠性。零件的性能和壽命通常大幅降低，并且可能在制造批次之間發(fā)生顯著變化。這是設(shè)計師希望避免的具有挑戰(zhàn)性，昂貴且耗時的過程。此外，目標(biāo)設(shè)計溫度正在轉(zhuǎn)變?yōu)?75°C，更高級的封裝是必要的，即使在短時間內(nèi)也能實(shí)現(xiàn)可靠性。

幸運(yùn)的是，近年來的進(jìn)步使得高溫額定IC可以現(xiàn)貨供應(yīng)。 ADI公司高溫產(chǎn)品系列中的產(chǎn)品采用專業(yè)工藝技術(shù)，電路設(shè)計和封裝，并提供全面的表征，鑒定和生產(chǎn)測試程序，以確保高溫下的可靠性能，并保證數(shù)據(jù)手冊的規(guī)格。

高溫信號鏈

雖然我們已經(jīng)介紹了高溫電子產(chǎn)品的一些不同的終端應(yīng)用，從石油勘探到航空電子設(shè)備再到重工業(yè)領(lǐng)域，但它們的信號鏈有幾個共同的要求。這些系統(tǒng)中的大多數(shù)需要從多個傳感器獲取精確數(shù)據(jù)或需要高吞吐率。此外，許多這些應(yīng)用具有嚴(yán)格的功率預(yù)算，因?yàn)樗鼈兪菑碾姵剡\(yùn)行的，或者不能容忍電子器件自加熱引起的額外溫度增加。因此，需要一個低功率數(shù)據(jù)采集信號鏈，包括傳感器，精密模擬元件和高吞吐量ADC。

即使現(xiàn)在有商用的HT額定IC，但選擇仍然有限今天的電路構(gòu)建塊。特別是，沒有商用精密ADC，它們的功率低，采樣率高于100kSPS，額定工作溫度高于200°C。對于需要采集和處理更寬帶寬信號或想要復(fù)用信道的電路設(shè)計人員來說，這是一個主要的難點(diǎn)。為了滿足這一需求，ADI公司最近發(fā)布了AD7981 ADC，采樣率高達(dá)600kSPS，分辨率為16位，同時保持低功耗和非常小的占位面積。它現(xiàn)在采用10引腳MSOP封裝，額定溫度為175°C，額定溫度為210°C的陶瓷扁平封裝，即將推出已知良好的裸片版本。作為案例研究，我們將進(jìn)一步詳細(xì)研究該ADC的特性，使其在極端溫度下具有突破性的性能和可靠性。

AD7981高溫ADC

AD7981是一款16位，低功耗，單電源ADC，采用逐次逼近架構(gòu)（SAR），采樣速率高達(dá)600kSPS。它基于ADI公認(rèn)的SAR核心，該核心已被設(shè)計用于大量工業(yè)和儀器系統(tǒng)。該架構(gòu)基于ADI專有的電荷再分配容性DAC技術(shù)。 CMOS制造工藝在高溫下實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的性能，部分原因在于這些電容器在整個溫度范圍內(nèi)的匹配和跟蹤。此外，還對采集電路進(jìn)行了優(yōu)化，以提高高溫下的精度。

AD7981的典型應(yīng)用信號鏈如圖1所示，其中高溫合格的軌到軌輸出，精度高，低功耗，雙通道放大器AD8634用于驅(qū)動AD7981的輸入，并作為參考緩沖器與高溫合格的低溫漂移ADR225 2.5 V基準(zhǔn)電壓源配合使用。 AD7981需要兩個電源：模擬和數(shù)字內(nèi)核電源（VDD），以及數(shù)字輸入/輸出接口電源（VIO），用于直接接口，具有1.8 V至5V之間的任何邏輯電壓。 VIO和VDD引腳可以連接在一起，以減少所需的電源數(shù)量。

AD7981具有出色的交流和直流性能，典型值為±0.7LSB INL，-102dB THD和91dB SNR ，即使在175°C的高溫下，也能實(shí)現(xiàn)高動態(tài)范圍，更高的精度和精度。 AD7981典型的INL vs.code曲線如圖2所示。

AD7981在各種溫度下寬輸入頻率范圍內(nèi)的信噪比和失真（SINAD）性能如圖3所示。

AD7981最大化電池電量通過吞吐速率線性調(diào)整功率，在惡劣環(huán)境中生活，在600kSPS的全吞吐量下通常耗散約4mW，在10kSPS時耗散70μW，如圖4所示.AD7981在轉(zhuǎn)換之間自動關(guān)斷以節(jié)省功耗。這使得該器件非常適合低采樣率應(yīng)用，甚至幾Hz，并且可以為電池供電的便攜式系統(tǒng)提供極低的功耗。

AD7981提供靈活的串行數(shù)字接口與SPI和其他數(shù)字主機(jī)兼容。它可配置為簡單的3線模式以實(shí)現(xiàn)最低I / O數(shù)，或4線模式，允許菊花鏈回讀和同步采樣選項。對于多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，AD7981可輕松與多路復(fù)用器配合使用，因?yàn)樗闪似喜蓸颖３蛛娐罚琒AR架構(gòu)不會出現(xiàn)任何流水線延遲或延遲。

高溫包裝

一旦我們擁有在高溫下運(yùn)行的高性能硅，就只能贏得一半的戰(zhàn)斗。堅固的封裝對于必須經(jīng)受惡劣高溫環(huán)境的集成電路至關(guān)重要。該封裝必須提供足夠的保護(hù)，以免與環(huán)境和PCB的可靠互連，同時具有適合系統(tǒng)任務(wù)配置文件的形狀因子。

雖然可靠包裝有許多考慮因素，但主要故障之一高溫下的點(diǎn)是線鍵合。這種失效在工業(yè)中常見的塑料包裝中尤其成問題，其中金鍵合線和鋁鍵合焊盤是標(biāo)準(zhǔn)的。升高的溫度加速AuAl金屬間化合物的生長。這些金屬間化合物與鍵合失效有關(guān)，例如脆性鍵合和空洞，這可能會在數(shù)百小時內(nèi)發(fā)生，如圖5所示。為了避免這些失敗，ADI使用過焊盤金屬化（OPM）工藝來創(chuàng)建金鍵合墊表面為金鍵合線附著。這種單金屬系統(tǒng)不會形成金屬間化合物，并且在我們的鑒定測試中已被證明是可靠的，在195°C下浸泡超過6000小時，如圖6所示。盡管ADI在195°C時顯示出可靠的粘合，但塑料包裝的額定值可用于操作由于模塑料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，僅高達(dá)175°C。

應(yīng)用實(shí)例

上述AD7981組合的關(guān)鍵特性如此高性能，堅固性，低功耗和靈活配置可滿足惡劣，高溫環(huán)境下精密測量應(yīng)用的關(guān)鍵性能標(biāo)準(zhǔn)，如井下石油和天然氣鉆井，以及工業(yè)，儀器儀表和航空電子應(yīng)用。

AD7981是不斷發(fā)展的高溫產(chǎn)品系列的成員之一，可實(shí)現(xiàn)從傳感器到處理器的精確模擬信號處理。 AD7981還提供ADR225 2.5V輸出基準(zhǔn)電壓源和AD8634 / AD8229放大器，用于信號調(diào)理。高溫額定MEMS慣性傳感器，如ADXL206加速度計和ADXRS645陀螺儀，可為設(shè)計人員提供有關(guān)系統(tǒng)方向和運(yùn)動的信息。使用這些組件的井下鉆井儀器的簡化信號鏈如圖7所示。

在此應(yīng)用中，對來自各種井下傳感器的信號進(jìn)行采樣，以收集有關(guān)周圍地質(zhì)構(gòu)造的信息。這些傳感器可以采用電極，線圈，壓電或其他傳感器的形式。加速度計，磁力計和陀螺儀提供有關(guān)鉆柱的傾斜度，方位角，旋轉(zhuǎn)速率，沖擊和振動的信息。這些傳感器中的一些具有非常低的帶寬，而其他傳感器可以具有音頻范圍和更高的信息。 AD7981能夠從具有不同帶寬要求的傳感器中采樣數(shù)據(jù)，同時保持功率效率。占地面積小，即使在空間受限的布局中也可輕松包含多個通道，例如井下工具中常見的非常窄的板寬。此外，靈活的數(shù)字接口允許在更苛刻的應(yīng)用中同時采樣，同時還允許針對低引腳數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行簡單的菊花鏈?zhǔn)阶x取。

摘要

總之，極高溫度是惡劣環(huán)境系統(tǒng)中最大的挑戰(zhàn)之一。然而，新型高溫額定IC（如AD7981）使設(shè)計人員能夠利用高精度，低功耗且具有良好合格可靠性的現(xiàn)成組件來克服這一挑戰(zhàn)。