一款高性能低功耗數據采集系統的設計詳解

電路功能與優勢

越來越多的應用要求數據采集系統必須在極高環境溫度下可靠地工作，例如井下油氣鉆探、航空和汽車應用等。圖1所示電路是一個16位、600 kSPS逐次逼近型模數轉換器(ADC)系統，其所用器件的額定溫度、特性測試溫度和性能保證溫度為175°C.很多此類惡劣環境應用都采用電池供電，因此該信號鏈針對低功耗而設計，同時仍然保持高性能。

AD7981 ADC需要2.4 V至5.1 V的外部基準電壓源，本應用選擇的基準電壓源為微功耗2.5 V精密基準源ADR225，后者也通過了高溫工作認證，并具有非常低的靜態電流(210°C時最大值為60μA)。

本電路使用低功耗(600 kSPS時為4.65μA)、耐高溫PulSAR ADC AD7981，它直接從耐高溫、低功耗運算放大器AD8634驅動。

本設計中的所有IC封裝都是專門針對高溫環境而設計，包括單金屬線焊。此外，本設計說明了無源元件、印刷電路板(PCB)材料和建構技術的選擇，以使其能在極端溫度下工作，并且提供了完整的設計支持包，包括物料清單、原理圖、裝配和布局文件。

圖1.耐高溫數據采集系統(原理示意圖：未顯示去耦和所有連接)

電路描述

模數轉換器

本電路的核心是16位、低功耗、單電源ADC AD7981，它采用逐次逼近架構，最高支持600 kSPS的采樣速率。如圖1所示，AD7981使用兩個電源引腳：內核電源(VDD)和數字輸入/輸出接口電源(VIO)。VIO引腳可以與1.8 V至5.0 V的任何邏輯直接接口。VDD和VIO引腳也可以連在一起以節省系統所需的電源數量，并且它們與電源時序無關。

在兩次轉換之間，AD7981自動關斷以節省功耗。因此，功耗與采樣速率成線性比例關系，使得該ADC對高低采樣速率(甚至低至數Hz)均適合，并且可實現非常低的功耗，支持電池供電系統。此外，可以使用過采樣技術來提高低速信號的有效分辨率。

AD7981有一個偽差分模擬輸入結構，可對IN+與IN?輸入之間的真差分信號進行采樣，并抑制這兩個輸入共有的信號。IN+輸入支持0 V至VREF的單極性、單端輸入信號，IN?輸入的范圍受限，為GND至100 mV.AD7981的偽差分輸入簡化了ADC驅動器要求并降低了功耗。AD7981采用10引腳MSOP封裝，額定溫度為175°C.圖2給出了連接示意圖。

圖2. AD7981連接圖

ADC驅動器

AD7981的輸入可直接從低阻抗信號源驅動;然而，高源阻抗會顯著降低性能，尤其是總諧波失真(THD)。因此，推薦使用ADC驅動器或運算放大器(如AD8634)來驅動AD7981輸入，如圖3所示。在采集時間開始時，開關閉合，容性DAC在ADC輸入端注入一個電壓毛刺(反沖)。ADC驅動器幫助此反沖穩定下來，并將其與信號源相隔離。

低功耗(1.3 mA/放大器)雙通道精密運算放大器AD8634適合此任務，因為其出色的直流和交流特性對傳感器信號調理和信號鏈的其他部分非常有利。雖然AD8634具有軌到軌輸出，但輸入要求從正供電軌到負供電軌具有300 mV裕量。

此裕量要求使得負電源成為必要，所選負電源為?2.5 V.

AD8634提供額定溫度為175°C的8引腳SOIC封裝和額定溫度為210°C的8引腳FLATPACK封裝。

圖3. SAR ADC前端放大器和RC濾波器

ADC驅動器與AD7981之間的RC濾波器衰減AD7981輸入端注入的反沖，并限制進入此輸入端的噪聲帶寬。不過，過大的限帶可能會增加建立時間和失真。最佳RC值的計算主要基于輸入頻率和吞吐速率。對于所示實例，R = 85Ω且C = 2.7 nF是最佳值，產生693 kHz的截止頻率。詳細計算參見Analog Dialogue文章：精密SAR型模數轉換器的前端放大器和RC濾波器設計。

本電路中，ADC驅動器為單位增益緩沖配置。增加ADC驅動器增益會降低驅動器帶寬，延長建立時間。這種情況下可能需要降低ADC吞吐速率，或者在增益級之后再使用一個緩沖器作為驅動器。

基準電壓源

ADR225 2.5 V基準電壓源在時210°C僅消耗最大60μA的靜態電流，并具有典型值40 ppm/°C的超低漂移特性，因而非常適合用于該低功耗數據采集電路。ADR225的初始精度為±0.4%，可在3.3 V至16 V的寬電源范圍內工作。

像其他SAR ADC一樣，AD7981的基準電壓輸入具有動態輸入阻抗，因此必須利用低阻抗源驅動，REF引腳與GND之間應有效去耦，如圖4所示。除了ADC驅動器應用，AD8634同樣適合用作基準電壓緩沖器。

使用基準電壓緩沖器的另一個好處是，基準電壓輸出端噪聲可通過增加一個低通RC濾波器來進一步降低。在該電路中，49.9Ω電阻和47μF電容提供大約67 Hz的截止頻率。

圖4. SAR ADC基準電壓緩沖器和RC濾波器

轉換期間，AD7981基準電壓輸入端可能出現高達2.5 mA的電流尖峰。在盡可能靠近基準電壓輸入端的地方放置一個大容值儲能電容，以便提供該電流并使基準電壓輸入端噪聲保持較低水平。通常使用低ESR、10μF或更大的陶瓷電容，但對于高溫應用，沒有陶瓷電容可用。因此，選擇一個低ESR、47μF鉭電容，其對電路性能的影響極小。