CN0365 本電路采用EVAL-CN0365-PMDZ 路板、 SDP-PMD-IB1Z 轉(zhuǎn)接板和EVAL-SDP-CB1Z演示平臺(tái) (SDP) 板。轉(zhuǎn)接板 和 SDP 板采用 120 引腳對(duì)接連接器。轉(zhuǎn)接板和 EVAL-CN0365- PMDZ 板采用 12 引腳 PMOD 對(duì)接連接器，可快速進(jìn)行設(shè)置 和評(píng)估電路性能。 EVAL-CN0365-PMDZ 板包含要評(píng)估的電 路 ( 如 CN-0365 所述 ) ， SDP 評(píng)估板與CN-0365評(píng)估軟件配合 使用。 設(shè)備要求 需要以下設(shè)備： EVAL-CN0365-PMDZ板 系統(tǒng)演示平臺(tái) ( EVAL-SDP-CB1Z ) PMOD/SDP 轉(zhuǎn)接板 ( SDP-PMD-IB1Z ) CN-0365 評(píng)估軟件 函數(shù)發(fā)生器 / 信號(hào)源，例如這些測(cè)試中使用的 Audio Precision SYS-2522 電源： +5 V 和 ?2.5 V 電源： +6 V 壁式電源適配器 (EVAL-CFTL-6V-PWRZ) 帶 USB 端口和 USB 線纜的 PC ，運(yùn)行 Windows? XP (SP2) 、 Windows Vista 或 Windows 7 Business/Enterprise/Ultimate 版 (32 位或 64 位 ) ?開始使用 要開始使用，請(qǐng)執(zhí)行以下步驟： 從ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0365下載 CN-0365 評(píng)估 軟件 到 PC 。 先安裝該軟件，再將 SDP 板連接到 PC 的 USB 端口，確保 PC 正確識(shí)別 SDP 板。 解壓縮下載的文件。 運(yùn)行 setup.exe文件。 按照屏幕提示操作，完成安裝。建議將所有軟件安裝在 默認(rèn)位置。 功能框圖 圖 12 所示為測(cè)試設(shè)置的功能框圖。 圖 12. 用于測(cè)量交流性能的電路測(cè)試設(shè)置 ?設(shè)置 設(shè)置電路的步驟如下： 通過(guò)直流管式插孔將 EVAL-CFTL-6V-PWRZ (+6 V 直流電 源 ) 連接到 SDP-PMD-IB1Z 轉(zhuǎn)接板。 通過(guò) 120 引腳 CON A 連接器將 SDP-PMD-IB1Z 轉(zhuǎn)接板連接 到 EVAL-SDP-CB1Z SDP 板。 通過(guò) USB 電纜將 EVAL-SDP-CB1Z SDP 板連接到 PC 通過(guò) 12 引腳接頭 PMOD 連接器將 EVAL-CN0365-PMDZ 評(píng) 估板連接到 SDP-PMD-IB1Z 轉(zhuǎn)接板。 將 +5 V (V S +) 和 ?2.5 V (VS ?) 電源連接到 EVAL-CN0365-PMDZ P3 接頭。默認(rèn)配置中， VDD 電壓 (2.5 V) 不需要外部連接， 因?yàn)樗窃诎迳袭a(chǎn)生。 通過(guò) SMA 連接器將信號(hào)源連接到 EVAL-CN0365-PMDZ 。 將 Audio Precision SYS-2522( 或同等信號(hào)發(fā)生器 ) 設(shè)置為 1 kHz 頻率和 2.5 V p-p 正弦波，并具有 1.25 V 直流偏移。 ?測(cè)試 啟動(dòng)評(píng)估軟件。如果 Windows 設(shè)備管理器中出現(xiàn)“ Analog Devices System Development Platform(ADI 系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái) ) ” 驅(qū)動(dòng)器，軟件便能與 SDP 板通信。 USB 通信建立之后，便 可使用評(píng)估軟件測(cè)試、查看、保存電路性能指標(biāo)。 ? 關(guān)于軟件操作的詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱UG-340 和評(píng)估 8/10 引腳 PulSAR? 系列 14/16/18 位 ADC wiki 頁(yè)面 . 在環(huán)境室中進(jìn)行溫度測(cè)試時(shí)，可使用延長(zhǎng)線 ( 未提供 ) 連接 模擬輸入、電源和 PMOD 。這些延長(zhǎng)線必須盡可能短，并 且必須采用最佳做法以避免噪聲。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(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試 時(shí)，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(shí)只能持續(xù)較短時(shí)間，因而在長(zhǎng)時(shí)間高溫 測(cè)試中也必須予以移除。 EVAL-CN0365-PMDZ 板照片如圖 13 所示。 圖13. EVAL-CN0365-PMDZ 電路板的照片 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(gè)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(shí)序無(wú)關(guān)。 在兩次轉(zhuǎn)換之間， AD7981 自動(dòng)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(duì)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(guò)采樣技術(shù)來(lái)提高低速 信號(hào)的有效分辨率。 AD7981 有一個(gè)偽差分模擬輸入結(jié)構(gòu)，可對(duì) IN+ 與 IN? 輸入 之間的真差分信號(hào)進(jìn)行采樣，并抑制這兩個(gè)輸入共有的信 號(hào)。 IN+ 輸入支持 0 V 至 V REF 的單極性、單端輸入信號(hào)， IN? 輸入的范圍受限，為 GND 至 100 mV 。 AD7981 的偽差分輸入 簡(jiǎn)化了 ADC 驅(qū)動(dòng)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(dòng)器 AD7981 的輸入可直接從低阻抗信號(hào)源驅(qū)動(dòng)；然而，高源阻 抗會(huì)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(dòng)器或運(yùn)算放大器 ( 如 AD8634 ) 來(lái)驅(qū)動(dòng) AD7981 輸入，如圖 3 所示。在采集時(shí)間開始時(shí)，開關(guān)閉合，容性 DAC 在 ADC 輸入端注入一個(gè)電壓毛刺 ( 反沖 ) 。 ADC 驅(qū)動(dòng)器 幫助此反沖穩(wěn)定下來(lái)，并將其與信號(hào)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?duì)傳感器信號(hào)調(diào)理 和信號(hào)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(dòng)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(guò)，過(guò) 大的限帶可能會(huì)增加建立時(shí)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(duì)于所示實(shí)例， R = 85 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(dòng)器為單位增益緩沖配置。增加 ADC 驅(qū) 動(dòng)器增益會(huì)降低驅(qū)動(dòng)器帶寬，延長(zhǎng)建立時(shí)間。這種情況下 可能需要降低 ADC 吞吐速率，或者在增益級(jí)之后再使用一 個(gè)緩沖器作為驅(qū)動(dòng)器。 基準(zhǔn)電壓源 ADR225 2.5 V 基準(zhǔn)電壓源在時(shí) 210°C 僅消耗最大 60 A 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(dòng)態(tài)輸 入阻抗，因此必須利用低阻抗源驅(qū)動(dòng)， REF 引腳與 GND 之 間應(yīng)有效去耦，如圖 4 所示。除了 ADC 驅(qū)動(dòng)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(gè)好處是，基準(zhǔn)電壓輸出端噪 聲可通過(guò)增加一個(gè)低通 RC 濾波器來(lái)進(jìn)一步降低。在該電路 中， 49.9 電阻和 47 F 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(gè) 大容值儲(chǔ)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 、 10 ?F 或更大的陶瓷電 容，但對(duì)于高溫應(yīng)用，沒(méi)有陶瓷電容可用。因此，選擇一 個(gè)低 ESR 、 47 ?F 鉭電容，其對(duì)電路性能的影響極小。 數(shù)字接口 AD7981 提供一個(gè)兼容 SPI 、 QSPI 和其他數(shù)字主機(jī)的靈活串 行數(shù)字接口。該接口既可配置為簡(jiǎn)單的 3 線模式以實(shí)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(xiàng)。 4 線模式還支持 CNV( 轉(zhuǎn)換輸入 ) 的獨(dú)立回 讀時(shí)序，使得多個(gè)轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)同步采樣。 本參考設(shè)計(jì)使用的 PMOD 接口實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)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(shè)計(jì)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(zhǔn)電壓緩沖器直接供電，如 圖 5 所示，因而無(wú)需額外的供電軌，節(jié)省功耗和板空間。 圖 5. 從基準(zhǔn)電壓緩沖器為 ADC 基準(zhǔn)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(shè)計(jì)、特性測(cè)試、可靠性認(rèn)證和生產(chǎn)測(cè)試。專門針對(duì)極端 溫度設(shè)計(jì)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(gè)主要失效機(jī)制是焊線與焊墊界面失效， 尤其是金 (Au) 和鋁 (Al) 混合時(shí) ( 塑料封裝通常如此 ) 。高溫會(huì) 加速 AuAl 金屬間化合物的生長(zhǎng)。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(shí)之后就會(huì)發(fā)生，如圖 6 所示。 圖 6. 195°C 時(shí) 500 小時(shí)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(gè)金焊墊表面以供金焊線連接。這種單金屬系統(tǒng)不會(huì)形 成金屬間化合物，經(jīng)過(guò) 195°C 、 6000 小時(shí)的浸泡式認(rèn)證測(cè) 試，已被證明非常可靠，如圖 7 所示 圖 7. 195°C 時(shí) 6000 小時(shí)后 OPM 墊上的金球焊 雖然 ADI 公司已證明焊接在 195°C 時(shí)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(hào)可用。同時(shí)有已知良品裸片 (KGD) 可 供需要定制封裝的系統(tǒng)使用。 對(duì)于高溫產(chǎn)品， ADI 公司有一套全面的可靠性認(rèn)證計(jì)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(cè)規(guī)定，高溫產(chǎn)品在最高額定溫度下最少可工作 1000 小時(shí)。全面生產(chǎn)測(cè)試是保證每個(gè)器件性能的最后一 步。 ADI 高溫系列中的每個(gè)器件都在高溫下進(jìn)行生產(chǎn)測(cè) 試，確保達(dá)到性能要求。 無(wú)源元件 必須選擇耐高溫的無(wú)源元件。本設(shè)計(jì)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(yīng)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(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試 時(shí)，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(shí)只能持續(xù)較短時(shí)間，因而在長(zhǎng)時(shí)間高溫 測(cè)試中也必須予以移除。 PCB 布局和裝配 在本電路的 PCB 設(shè)計(jì)中，模擬信號(hào)和數(shù)字接口位于 ADC 的 相對(duì)兩側(cè)， IC 之下或模擬信號(hào)路徑附近無(wú)開關(guān)信號(hào)。這種 設(shè)計(jì)可以最大程度地降低耦合到 ADC 芯片和輔助模擬信號(hào) 鏈中的噪聲。 AD7981 的所有模擬信號(hào)位于左側(cè)，所有數(shù)字 信號(hào)位于右側(cè)，這種引腳排列可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)?；鶞?zhǔn)電壓輸 入 REF 具有動(dòng)態(tài)輸入阻抗，必須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(cè) 試。關(guān)于其他布局布線建議，參見 AD7981 數(shù)據(jù)手冊(cè)。 針對(duì)高溫電路，必須采用特殊電路材料和裝配技術(shù)來(lái)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(guò) 140°C 時(shí)， PCB 便開始破裂、 分層，并對(duì)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(jì) 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(shí)，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(gè)壁壘，金則為接頭焊接提供 一個(gè)良好的表面。此外，必須使用高熔點(diǎn)焊料，熔點(diǎn)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(wú)鉛焊料， 其熔點(diǎn)為 217°C ，相對(duì)于 175°C 的最高工作溫度 有 42°C 的裕量。 性能預(yù)期 采用 1 kHz 輸入信號(hào)音和 5 V 基準(zhǔn)電壓時(shí)， AD7981 的額定 SNR 典型值為 91 dB 。然而，當(dāng)使用較低基準(zhǔn)電影所時(shí) ( 低功耗 / 低 電壓系統(tǒng)常常如此 ) ， SNR 性能會(huì)有所下降。根據(jù) AD7981 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的性能曲線，在室溫和 2.5 V 基準(zhǔn)電壓時(shí)，預(yù)期 SNR 約為 86 dB 。該 SNR 值與室溫時(shí)測(cè)試本電路所實(shí)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(hào)音、 580 kSPS 、 25°C 時(shí)的交流性能 當(dāng)溫度升高至 175°C 時(shí)， 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(shí)的 FFT 摘要如圖 11 所示。 圖 9. SNR 隨溫度的變化 (1 kHz 輸入信號(hào)音、 580 kSPS) 圖 10. THD 隨溫度的變化 (1 kHz 輸入信號(hào)音、 580 kSPS) 圖 11. 1 kHz 輸入信號(hào)音、 580 kSPS 、 175°C 時(shí)的交流性能 CN0365 適合高溫環(huán)境的16位、600 kSPS低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 越來(lái)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(gè) 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(cè)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(hào)鏈針對(duì)低功耗而設(shè)計(jì)，同時(shí)仍然保持高性能。 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) 本電路使用低功耗 (600 kSPS 時(shí)為 4.65 A) 、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(dòng)。 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(guò)了高溫工作認(rèn)證，并具有非常低的靜態(tài)電流 (210°C 時(shí)最大值為 60μA) 。 本設(shè)計(jì)中的所有 IC 封裝都是專門針對(duì)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(shuō)明了無(wú)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。 CN0365 CN0365

• 16位、600kSPS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
• 系統(tǒng)保證溫度：+175°C
• 低功耗

(analog)