一款高性能低功耗数据采集系统的设计详解

电路功能与优势

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。图1所示电路是一个16位、600 kSPS逐次逼近型模数转换器(ADC)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°C.很多此类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。

AD7981 ADC需要2.4 V至5.1 V的外部基准电压源，本应用选择的基准电压源为微功耗2.5 V精密基准源ADR225，后者也通过了高温工作认证，并具有非常低的静态电流(210°C时最大值为60μA)。

本电路使用低功耗(600 kSPS时为4.65μA)、耐高温PulSAR ADC AD7981，它直接从耐高温、低功耗运算放大器AD8634驱动。

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。

图1.耐高温数据采集系统(原理示意图：未显示去耦和所有连接)

电路描述

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VREF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。

图2. AD7981连接图

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。

图3. SAR ADC前端放大器和RC滤波器

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 = 85Ω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60μA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，49.9Ω电阻和47μF电容提供大约67 Hz的截止频率。

图4. SAR ADC基准电压缓冲器和RC滤波器

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、10μF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、47μF钽电容，其对电路性能的影响极小。