史上最牛：一款高性能低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)詳

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(zhuān)門(mén)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(pán)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(kāi)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(jiàn)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(kāi)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?yàn)檫@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

電路評(píng)估與測(cè)試

本電路采用EVAL-CN0365-PMDZ電路板、SDP-PMD-IB1Z轉(zhuǎn)接板和EVAL-SDP-CB1Z系統(tǒng)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。