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高温八通道24位AD文件
添加日期:2013-12-19 11:25:58 来源: 责任编辑:陕西航晶微电子有限公司 点击:6697

高温八通道24AD转换模拟调理及配电

一、开发背景

2008TI公司推出了能在+210极端温度工作的八通道24AD转换器ADS1278SHFQ,其性能可以满足目前或将来很长一段时间内石油随钻测控和成井地质结构测量的大部分要求。因此国内外许多用户结合自己的实际需求开发了多款应用系统。

由于该产品面市较晚,应用文件不是很全,可借鉴的工程化经验匮乏,使得一些应用系统或多或少存在类似如下问题:

l        转换精度不高。由于模拟信号预处理以及参考源温漂的影响所致,有些应用系统最后的分辨率达不到14位。

l        功耗偏大。反映了客户没有对转换速率和功耗取得较为合理的工程折中。

l        仪器尺寸偏大。由于井下仪器受直径所限,模拟预处理及配电又很占面积,致使仪器长度较长。

l        仪器的可靠性不高。这主要是客户重点关注了耐温特性,而较为忽视了冲击、振动应力(尤其是在随钻测量系统中)的影响;加之在线路中使用过多的跳线端子、转接座,不合理的供电方式、不合理的时钟配置等因素造成的。

陕西航晶微电子有限公司技术研发团队从2009年开始关注TI公司的ADS1278SM470。对ADS1278模拟信号的特性要求、内核、外围以及模拟供电的特点等均有较为深入的了解。公司依托自己的一条完备的厚膜集成电路(HIC)生产线,结合长期配套军工和石油测井仪器领域取得的工程经验,以及对微电子器件固有的可靠性和使用可靠性方面的独到认识,开发了两款专门为TI公司的ADS1278SM470配套服务的厚膜集成电路,即:

l        HJ1131——耐高温高精度低漂移参考源加八路双极性信号变单极性信号调理电路。

l        HJ1132——耐高温内核、外围、模拟供电加硅基时钟源加四路电平转换电路。

这两个厚膜集成电路主要要解决的问题:

A.  高精度低漂移参考源

AD转换器的分辨率越高、转换速率越快,对参考源的精度和温漂要求越高。尤其在200这样的极端温度环境中。

传统单片集成的参考源,如MAX6225/MAX6325指标中的温漂系数为1ppm/℃(典型值),但只适应于-55~+125这段。在150~160的温度段有个阈值点,超过这个点参考源的输出温漂会呈现类指数上升趋势。根本无法满足200的工作环境要求。

TI公司的REF5025HT虽然工作在210这样的环境温度,但初始精度差(单边最大误差可达5.5‰)。这是由单片集成电路的工艺特点决定的,无法做小。于是REF5025HTPDF文件中建议用户使用TRIM端外接电位器修正初始精度,并且指出由于外接电阻的存在,参考输出的温漂特性会变坏。这是显而易见的,因为外接电阻无论精度多高、温漂多小,均无法与集成电路内部的扩散电阻/硅上薄膜电阻完全匹配。

再者,在REF5025HTPDF中读不到关于参考源输出温漂的热迟滞性能的描述。这在应用上其实存在一定的风险,因为如果参考源的热迟滞量大的话,后续微处理器很难进行建模修正系统温漂。

当然这并不意味着REF5025HT不能工作在高温状态,只是说在高温下系统的转换精度可能会受到影响。

HJ1132HT中的参考源在电路设计时参考了B-B公司的工程经验,采用介质隔离(SOI)、高精度、低漂移运放,通过恒流源给带温补的基准二极管供电,以获得较高的线调整率和极低的温度漂移。再通过激光对其中的两个相同特质的电阻进行功能修调,使参考输出的初始精度达到0.1‰(典型值)。无需外接电阻微调,也不增加附加温漂。

这当然是以牺牲成本和产能为代价的。这也是厚膜集成电路较单片集成电路价格偏贵的原因所在。

B.  八路模拟信号精细调理

在极端温度下工作的AD采集系统前端的模拟信号调理至关重要,这部分性能的优劣,直接决定系统的实际采集精度。

系统级客户用PCB板实现的模拟信号调理电路往往会出现如下情况:

l        运放选型不合理,缺少降额设计,没有在耐温、功耗、压摆率以及需要的测量带宽取得合理的工程折中。

l        布局布线不合理,占用仪器的面积偏大。

l        对井下高温环境及γ辐射作用于微电子器件的机理认识模糊。诸如PCB板引线间漏电流对运放输入端的影响;运放的失调电流Ios随温度的变化趋势以及作用到输出零位的计算方法;运放的加电老化对高温下时漂的重要性;地质结构中的γ辐射对运放参数的衰退作用。正是由于认识上的不足,仪器一旦出现问题或达不到预想的指标,就无从分析解决。

HJ1132HT中所有运放均具备介质隔离(SOI)、高精度、低功耗、低漂移,并且有数十个成功的工程化经历。它能够将加表、磁通门、陀螺等的双极性信号转变为ADS1278所需的单极性信号。环路增益为+1,输出零位为VREF,输入阻抗可达109Ω,输出带短路保护,通道间的隔离度可达-110dB,体积为30×20×4mm3

它对γ总剂量有较强的免疫功能,最高工作温度可达250。由于采用金属壳体封装,其热阻较小,电磁兼容性较好。改进的厚膜生产工艺和依据GJB2438制订的高温集成电路筛选规范Q/HJ·GY029-2009进行老炼筛选的器件能够有效地保障高温/高冲击场合下器件的电参数和可靠性。

C.  硅基时钟发生器

多数情况下,时钟可以很容易通过一个石英晶振实现。但这在石油测井仪器的应用上很值得考量。这是由于石英晶振的特性和石油测井所面临的高温、高冲击/振动环境两方面决定的。

首先,石英晶振也叫压电晶体谐振器,是通过把石英晶体经过精密切割研磨,镀上电极后固定在引线上制成的(见附件一“两种晶振的显微照片”)。其谐振频率与石英片的形状、切割方向等密切相关。它有一个重要特性,就是给它施加一个激励电平,会产生机械振荡;反之,如果给它施加一个机械力,它会产生一定的电势。这种特性叫做石英晶振的机电效应。谐振子机械振荡过程中,加速度能转化为动能和弹性能。由于石英谐振子的内部摩擦,一部分功耗转成热。摩擦引入的损耗与谐振子的质量大小有关。当加速度达到某个临界点时,石英谐振子内部或其表面及安装点的拉伸/应变会造成摩擦损耗突增,进而使谐振频率发生变化。

从上面对石英晶振的简单描述不难得出,石英晶振的谐振频率是温度和加速度的函数,或者换句话说,如果石英晶振感受的温度和加速度发生变化,那么它的谐振频率就会改变。虽然有的厂家采取了应力补偿等办法,但只能是个量的变化,本质上不能消除这种现象的发生。于是有些负责任的石英晶振厂家在PDF中明确标注了产品对温度和加速度的敏感度。需要特别注意的是,厂家在PDF中注明的晶振耐冲击/振动达几千个g的指标是指达到/超过这个加速度晶振有可能永久失效。

TI公司SM470PDF41页关于石英晶振有这样的描述:“在-40~+150外接石英晶振可以保证SM470正常工作;如果超过这个温度范围强烈建议使用外时钟源供应SM470。这表明他们还是担心石英晶振不能适应极端温度下正常使用。

这就不难解释在一些精度要求较高、冲击/振动环境不是很严酷的场合,对晶振源要进行恒温处理的原因,也是美国Quartzdyne公司用石英晶振来测量压力和测量温度(见附件二“ASIC-HITEN2007.pdf”)的理论基础。目前国内军工行业,若产品有可能遇到较大的加速度/较大的过载应力,设计阶段均回避石英晶体的使用。

其次,石油测井仪器,特别是随钻测控仪器,普遍会遇到高温、高冲击/振动这样的恶劣环境应力。而且随着井深的增大,环境应力更为剧烈。瞬间大g冲击应力施加于石英晶体的敏感轴(垂直于谐振子平面)上,就可能造成石英晶体谐振频率变化/间隙停振,而一般的微处理器/DSP内部均有如图(1)所示的复位电路。当发生时钟丢失时,微处理器/DSP将产生系统复位而阻止程序正常运行。

 
 
       
 
 

1 复位源框图

虽然SM470 PDF没有明确复位源,但理论上应具备图1所示的要素。

近年来由于时钟丢失而造成死机的情况在随钻测量上时有发生。

随着半导体工艺技术的进步,给予硅材料的时钟源的应用越来越普及。硅基时钟源区别于石英晶振时钟源有两个显著特点,就是:硅基时钟的绝对精度较石英晶振的差;而抗冲击/振动的能力远优于石英晶振。因为i硅基时钟没有石英晶振那样的机电效应。至于温漂特性两者相差无几。

例如美国Silicon Laboratories Inc.C8051 F330内部就集成了一个24.5MHz高频时钟和一个80KHz的低频时钟(详见C8051 F330 PDF的第13章节)。高频时钟的温漂为50±10ppm/℃,低频时钟的温漂为20±8ppm/℃。

又例如美国Linear Technology Inc.LTC6906等。

HJ1131HT中使用了硅基时钟源。它能同步输出ADS1278要求的3.3V时钟和SM470要求的1.8V时钟。驱动能力强,时钟频率可外设,输出加150Ω退偶电阻以防止振铃。具有抗冲击/振动,温漂小以及温漂的热迟滞特性小等特点。

D、低压差顺序加电:

ADS1278HT有三组电源:模拟+5V,数字外围+3.3V以及数字内核+1.8V。对上电顺序的要求是内核先上电,再是外围上电,最后才是模拟电源上电(参见ADS1278 PDF的第41页的说明)。

HJ1131HT集成了两路带使能端的+3.3V+1.8V低压差线性调整源,并且对输入的+5V电源加了一路程控输出。这样,只要外接RC就可以方便地实现对ADS1278HT的顺序加电。详情可参考航晶微电子有限公司的HJ42128的说明书。

另外,由于两路低压差线性调整源的存在,隔离了数字电源(+3.3V+1.8V)和模拟电源,在+5V外供电源质量有保证的情况下,ADS1278HT模拟+5V的纹波要求(≤2mVrms)容易满足(参见ADS1278 PDF43页的说明)。

SM470HT内核+1.8V和外围(包括ADC电荷泵)+3.3V的上电顺序与ADS1278HT的相反(详见SM470 PDF44页的说明和时序图)。可通过HJ42123HT对它进行加电(参考航晶公司手册)。由于SM470HTFlash存有程序,因此对掉电(power down)也有要求,并且需要外部输入一个PORRST信号,而TI公司对PORRST信号只给出了一个时序图,并未规划出它的实现途径。故应用时应该予以足够重视。
                          电路图
 
 

元器件参数清单

一、            器件选型

U1:微处理器:

SM470R1B1MHFQSTIHFQ-84封装)

U2:八通道24AD转换器:

ADS1278SHFQTIHFQ-84封装)

U3:耐高温线性电源及时钟发生:

HJ1131HTHJBOX3020-22封装)

U4:耐高温参考源及八通道模拟信号调理:

HJ1132HTHJBOX3020-22封装)

U5:高温低压差双路输出正电压精密稳压器

HJ42123HTHJBB483-08封装)

二、            电阻(材质均需耐高温)

15kΩ-1/4W-10% R1~R8

21kΩ-1/4W-1% R9~R17

3HJ10K2×10kΩ-1/4W-0.5):R18

三、            电容(材质均需耐高温)

1、  NPO/COG 1000PF-35V-10%C1~C8C13~C20

2、  NPO/COG 104-35V-20%C9C10C22C23C26C28C29C35C37

3、  固钽10uF-35V-20%C11C12C21C27C31C33

4、  固钽 4.7uF-35V-20%C32

5、  固钽 105-35V-20%C30C24C34C36

6、  固钽 33uF-35V-20%C25

7、  C38C39C40C41R19R20

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