高温电子应用的低功耗数据采集解决方案

《高温电子应用的低功耗数据采集解决方案》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、高温电子应用的低功耗数据采集解决方案越来越多的应用要求数据采集系统必须在极高环境温度下可靠地工作，例如，井下油气钻探、航空和汽车应用等。虽然这些行业的最终应用不尽相同，但某些信号调理需求却是共同的。这些系统的主要部分要求对多个传感器进行精确数据采集，或者要求高采样速率。此外，很多这样的应用都有很严格的功率预算，因为它们采用电池供电，或者无法耐受自身电子元件发热导致的额外升温。因此，需要用到可以在温度范围内保持高精度，并且可以轻松用于各种场景的低功耗模数转换器(ADC)信号链。这类信号链见图1，该图描绘了一个井下钻探仪器。虽然额定温度为175℃的商用

2、IC数量依然较少，但近年来这一数量正在增加，尤其是诸如信号调理和数据转换等核心功能。这便促使电子工程师快速可靠地设计用于高温应用的产品，并完成过去无法实现的性能。虽然很多这类IC在温度范围内具有良好的特性化，但也仅限于该器件的功能。显然，这些元件缺少电路级信息，使其无法在现实系统中实现极佳性能。本文中，我们提供了一个新的高温数据采集参考设计，该设计在室温至175℃温度范围内进行特征化。该电路旨在提供一个完整的数据采集电路构建块，可获取模拟传感器输入、对其进行调理，并将其特征化为SPI串行数据流。该设计功能非常丰富，可用作单通道应用，也可扩展为多通道

3、同步采样应用。由于认识到低功耗的重要性，该ADC的功耗与采样速率成线性比例关系。该ADC还可由基准电压源直接供电，无须额外的电源轨，从而不存在功率转换相关的低效率。这款参考设计是现成的，可方便设计人员进行测试，包含全部原理图、物料清单、PCB布局图和测试软件。电路概览图1所示电路是一个16位、600kSPS逐次逼近型模数转换器系统，其所用器件的额定温度、特性测试温度和性能保证温度为175℃。很多恶劣环境应用都采用电池供电，因此该信号链针对低功耗而设计，同时仍然保持高性能。本电路使用低功耗(600kSPS时为4.65mSOP封装，额定温度为175℃，

4、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4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(ImA/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300mV裕

5、量。这就使得负电源成为必要，所选负电源为2.5V。AD8634提供额定温度为175℃的8引脚SOIC封装和额定温度为210℃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。因此，为该滤波器找到最优RC值很重要。其计算主要基于输入频率和吞吐速率。由AD7981数据手册可知，内部采样电容CIN=30pF且tCONV=900ns，因此正如所描述的，对于lOkHz输入信号而言，假定ADC工作在600kSPS且CFXT=2.7nF

6、，则用于2.5V基准电压源的电压步进为：因此，在16位处建立至1/2LSB所需的时间常数数量为：AD7981的采集时间为：通过下式可计算RC滤波器的带宽：这是一个理论值，其一阶近似应当在实验室中进行验证。通过测试可知最优值为REXT=85Q和CEXT=2.7nF(f_3dB_693.48kHz)，此时在高达l75℃的扩展温度范围内具有出色的性能。在参考设计中，ADC驱动器采用单位增益缓冲器配置。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

7、2.5V基准电压源在时210℃仅消耗最大60μA的静态电流，并具有典型值40×10-6/℃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。该器件的初始精度为±0.4%，可在3.3-16V的宽电源范围内工作。像其他SARADC-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5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，如图5所示。在该电路中，49.9Ω电阻和47μ

8、电容提供大约67Hz的截止频率。转换期间，AD7981基准电压输入端可能出现高达2.5mA的电流尖峰。在尽可能靠近基准电压