一款高性能低功耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計詳解

數(shù)字接口

AD7981提供一個兼容SPI、QSPI和其他數(shù)字主機的靈活串行數(shù)字接口。該接口既可配置為簡單的3線模式以實現(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。4線模式還支持CNV(轉(zhuǎn)換輸入)的獨立回讀時序，使得多個轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)同步采樣。

本參考設計使用的PMOD接口實現(xiàn)了簡單的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

本參考設計的+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，可由基準電壓緩沖器直接供電，如圖5所示，因而無需額外的供電軌，節(jié)省功耗和板空間。

圖5.從基準電壓緩沖器為ADC基準電壓源供電

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，包括設計、特性測試、可靠性認證和生產(chǎn)測試。專門針對極端溫度設計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。

耐高溫封裝的一個主要失效機制是焊線與焊墊界面失效，尤其是金(Au)和鋁(Al)混合時(塑料封裝通常如此)。高溫會加速AuAl金屬間化合物的生長。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之后就會發(fā)生，如圖6所示。

圖6. 195°C時500小時后鋁墊上的金球焊

為了避免失效，ADI公司利用焊盤金屬化(OPM)工藝產(chǎn)生一個金焊墊表面以供金焊線連接。這種單金屬系統(tǒng)不會形成金屬間化合物，經(jīng)過195°C、6000小時的浸泡式認證測試，已被證明非?？煽?，如圖7所示。

圖7. 195°C時6000小時后OPM墊上的金球焊

雖然ADI公司已證明焊接在195°C時仍然可靠，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型號可用。同時有已知良品裸片(KGD)可供需要定制封裝的系統(tǒng)使用。

對于高溫產(chǎn)品，ADI公司有一套全面的可靠性認證計劃，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)手冊規(guī)定，高溫產(chǎn)品在最高額定溫度下最少可工作1000小時。全面生產(chǎn)測試是保證每個器件性能的最后一步。ADI高溫系列中的每個器件都在高溫下進行生產(chǎn)測試，確保達到性能要求。

無源元件

必須選擇耐高溫的無源元件。本設計使用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，在高溫下進行長時間測試時，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只能持續(xù)較短時間，因而在長時間高溫測試中也必須予以移除。

PCB布局和裝配

在本電路的PCB設計中，模擬信號和數(shù)字接口位于ADC的相對兩側(cè)，IC之下或模擬信號路徑附近無開關信號。這種設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計?；鶞孰妷狠斎隦EF具有動態(tài)輸入阻抗，必須用極小的寄生電感去耦，為此須將基準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行溫度測試。關于其他布局布線建議，參見AD7981數(shù)據(jù)手冊。

針對高溫電路，必須采用特殊電路材料和裝配技術(shù)來確?？煽啃浴R4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，必須使用高熔點焊料，熔點與系統(tǒng)最高工作溫度之間應有合適的裕量。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。