史上最牛：一款高性能低功耗数据采集系统的设计详解（2） 数据采集, 可靠性, 认证

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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。

图5.从基准电压缓冲器为ADC基准电压源供电
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。

图6. 195°C时500小时后铝垫上的金球焊
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。

图8. 1 kHz输入信号音、580 kSPS、25°C时的交流性能
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
电路评估与测试
本电路采用EVAL-CN0365-PMDZ电路板、SDP-PMD-IB1Z转接板和EVAL-SDP-CB1Z系统演示平台(SDP)板。转接板和SDP板采用120引脚对接连接器。转接板和EVAL-CN0365-PMDZ板采用12引脚PMOD对接连接器，可快速进行设置和评估电路性能。EVAL-CN0365-PMDZ板包含要评估的电路(如CN-0365所述)，SDP评估板与CN-0365评估软件配合使用。