模数转换器

本电路的核心是 16 位、低功耗、单电源 ADC AD7981 ，它采 用逐次逼近架构，最高支持 600 kSPS 的采样速率。如图 1 所 示， AD7981 使用两个电源引脚：内核电源 (VDD) 和数字输 入 / 输出接口电源 (VIO) 。 VIO 引脚可以与 1.8 V 至 5.0 V 的任 何逻辑直接接口。 VDD 和 VIO 引脚也可以连在一起以节省 系统所需的电源数量，并且它们与电源时序无关。

在两次转换之间， AD7981 自动关断以节省功耗。因此，功 耗与采样速率成线性比例关系，使得该 ADC 对高低采样速 率 ( 甚至低至数 Hz) 均适合，并且可实现非常低的功耗，支 持电池供电系统。此外，可以使用过采样技术来提高低速 信号的有效分辨率。

AD7981 有一个伪差分模拟输入结构，可对 IN+ 与 IN− 输入 之间的真差分信号进行采样，并抑制这两个输入共有的信 号。 IN+ 输入支持 0 V 至 V REF 的单极性、单端输入信号， IN− 输入的范围受限，为 GND 至 100 mV 。 AD7981 的伪差分输入 简化了 ADC 驱动器要求并降低了功耗 。 AD7981 采用 10 引 脚 MSOP 封装，额定温度为 175°C 。图 2 给出了连接示意图。

ADC 驱动器

AD7981 的输入可直接从低阻抗信号源驱动；然而，高源阻 抗会显著降低性能，尤其是总谐波失真 (THD) 。因此，推 荐使用 ADC 驱动器或运算放大器 ( 如 AD8634 ) 来驱动 AD7981 输入，如图 3 所示。在采集时间开始时，开关闭合，容性 DAC 在 ADC 输入端注入一个电压毛刺 ( 反冲 ) 。 ADC 驱动器 帮助此反冲稳定下来，并将其与信号源相隔离。

低功耗 (1.3 mA/放大器 ) 双通道精密运算放大器 AD8634 适合 此任务，因为其出色的直流和交流特性对传感器信号调理 和信号链的其他部分非常有利。虽然 AD8634 具有轨到轨输 出，但输入要求从正供电轨到负供电轨具有 300 mV 裕量。

此裕量要求使得负电源成为必要，所选负电源为 −2.5 V 。

AD8634 提供额定温度为 175°C 的 8 引脚 SOIC 封装和额定温 度为 210°C 的 8 引脚 FLATPACK 封装。

ADC 驱动器与 AD7981 之间的 RC 滤波器衰减 AD7981 输入端 注入的反冲，并限制进入此输入端的噪声带宽。不过，过 大的限带可能会增加建立时间和失真。最佳 RC 值的计算主 要基于输入频率和吞吐速率。对于所示实例， R = 85 且 C = 2.7 nF 是最佳值，产生 693 kHz 的截止频率。详细计算参见 Analog Dialogue 文章 : 精密 SAR 型模数转换器的前端放大器 和 RC 滤波器设计 .

本电路中， ADC 驱动器为单位增益缓冲配置。增加 ADC 驱 动器增益会降低驱动器带宽，延长建立时间。这种情况下 可能需要降低 ADC 吞吐速率，或者在增益级之后再使用一 个缓冲器作为驱动器。

基准电压源

ADR225 2.5 V 基准电压源在时 210°C 仅消耗最大 60 A 的静态 电流，并具有典型值 40 ppm/°C 的超低漂移特性，因而非常 适合用于该低功耗数据采集电路。 ADR225 的初始精度为 ±0.4% ，可在 3.3 V 至 16 V 的宽电源范围内工作。

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， 49.9 电阻和 47 F 电容提供大约 67 Hz 的截止频率。

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 、 10 ¬F 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 、 47 ¬F 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。

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。

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

PCB 表面也需要注意，特别是配合含锡的焊料使用时，因 为这种焊料易于与铜走线形成金属间化合物。常常采用镍 金表面处理，其中镍提供一个壁垒，金则为接头焊接提供 一个良好的表面。此外，必须使用高熔点焊料，熔点与系 统最高工作温度之间应有合适的裕量。本装配选择 SAC305 无铅焊料， 其熔点为 217°C ，相对于 175°C 的最高工作温度 有 42°C 的裕量。

性能预期

采用 1 kHz 输入信号音和 5 V 基准电压时， AD7981 的额定 SNR 典型值为 91 dB 。然而，当使用较低基准电影所时 ( 低功耗 / 低 电压系统常常如此 ) ， SNR 性能会有所下降。根据 AD7981 数据手册中的性能曲线，在室温和 2.5 V 基准电压时，预期 SNR 约为 86 dB 。该 SNR 值与室温时测试本电路所实现的性能 ( 约 86 dB SNR) 符合得很好，如图 8 所示。

当温度升高至 175°C 时， SNR 性能仅降低至约 84 dB ，如图 9 所示。 THD 仍然优于 −100 dB ，如图 10 所示。本电路在 175°C 时的 FFT 摘要如图 11 所示。

图 9. SNR 随温度的变化 (1 kHz 输入信号音、 580 kSPS)

图 10. THD 随温度的变化 (1 kHz 输入信号音、 580 kSPS)

图 11. 1 kHz 输入信号音、 580 kSPS 、 175°C 时的交流性能