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基于AD7981的耐高温低功耗数据采集系统设计

基于AD7981的耐高温低功耗数据采集系统设计

点击数:7687 次   录入时间:03-04 11:59:12   整理:http://www.55dianzi.com   传感-检测-采集技术

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。

使用基准电压缓冲器的另一个好处是,基准电压输出端噪声可通过增加一个低通RC滤波器来进一步降低。在该电路中,49.9Ω电阻和47μF电容提供大约67 Hz的截止频率。



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、10μF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、47μF钽电容,其对电路性能的影响极小。

数字接口
AD7981提供一个兼容SPI、QSPI和其他数字主机的灵活串行数字接口。该接口既可配置为简单的3线模式以实现最少的输入/输出数,也可配置为4线模式以提供菊花链回读和繁忙指示选项。4线模式还支持CNV(转换输入)的独立回读时序,使得多个转换器可实现同步采样。

本参考设计使用的PMOD接口实现了简单的3线模式,SDI接高电平VIO.VIO电压是由SDP-PMOD转接板从外部提供。

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
ADI公司高温系列中的器件要经历特殊的工艺流程,包括设计、特性测试、可靠性认证和生产测试。专门针对极端温度设计特殊封装是该流程的一部分。本电路中的175°C塑料封装采用一种特殊材料。

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。

PCB布局和装配
在本电路的PCB设计中,模拟信号和数字接口位于ADC的相对两侧,IC之下或模拟信号路径附近无开关信号。这种设计可以最大程度地降低耦合到ADC芯片和辅助模拟信号链中的噪声。AD7981的所有模拟信号位于左侧,所有数字信号位于右侧,这种引脚排列可以简化设计。基准电压输入REF具有动态输入阻抗,必须用极小的寄生电感去耦,为此须将基准电压去耦电容放在尽量靠近REF和GND引脚的地方,并用低阻抗的宽走线连接该引脚。本电路板的元器件故意全都放在正面,以方便从背面加热进行温度测试。关于其他布局布线建议,参见AD7981数据手册。

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.

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