适合高温环境的16位600kSPS低功耗数据采集系统
适合高温环境的16位600kSPS低功耗数据采集系统
本设计中的所有IC封装都是专门针对高温环境而设计，包括单金属线焊。此外，本设计说明了无源元件、印刷电路板(PCB)材料和建构技术的选择，以使其能在极端温度下工作，并且提供了完整的设计支持包，包括物料清单、原理图、装配和布局文件。
本电路的核心是16位、低功耗、单电源PIC18F27K40，它采用逐次逼近架构，最高支持600kSPS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1.8V至5.0V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。
PIC18F27K40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0V至VREF的单极性、单端输入信号，IN?输入的范围受限，为GND至100mV。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。
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。
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。
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。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。
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。PIC18F27K40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。
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