CN0365

A/Dコンバータ

この回路の心臓部は、逐次比較アーキテクチャ（SAR）を使用し、最大600kSPSのサンプリングが可能な16ビット、低消費電力、単電源ADC AD7981です。図1に示すように、AD7981はコア電源のVDDとデジタル入出力インターフェース電源のVIOの2種類の電源ピンを使用しています。VIOピンは1.8V～5.0Vの任意のロジックと直接インターフェースすることができます。また、VDDピンとVIOピンを接続してシステムに必要な電源の数を減らすこともできます。これらのピンは電源シーケンスに関係しません。

AD7981は、変換と変換の間自動的にパワーダウンして電力を節約します。このため、消費電力がサンプリング・レートに対して直線的に変化することから、このADCは高サンプリング・レートとわずか数Hzの低サンプリング・レートの両方に最適であり、バッテリ駆動システムにおける超低消費電力を可能にします。さらに、オーバーサンプリング技術を使って低速信号の実効分解能を上げることができます。

AD7981は擬似差動アナログ入力回路を備えており、IN+入力とIN−入力の間の真の差動信号をサンプリングし、両方の入力に共通の信号を除去します。IN+入力は0V～VREFのユニポーラのシングルエンド信号を受け入れることができ、IN−入力はGND～100mVの範囲に限定されます。AD7981の擬似差動入力により、ADCドライバの条件が緩和され、消費電力が抑えられます。AD7981は、温度定格が175℃の10ピンMSOPパッケージを採用しています。簡略接続図を図2に示します。

ADCドライバ

AD7981の入力は低インピーダンス源で直接駆動することができますが、信号源インピーダンスが高いと、特に全高調波歪み（THD）のAC性能が大幅に低下します。したがって、図3に示すように、ADCドライバやAD8634などのオペアンプを使ってAD7981の入力を駆動することを推奨します。アクイジション・タイムの開始時に、スイッチが閉じ、容量性DACがADC入力に電圧グリッチ（キックバック）を注入します。ADCドライバは、このキックバックを安定化するとともに信号源から分離することができます。

低消費電力（1.3mA/アンプ）の高精度デュアル・オペアンプAD8634は、優れたDC仕様とAC仕様がセンサーのシグナル・コンディショニングやシグナル・チェーン内の各所に適合するため、この処理に適しています。AD8634はレールtoレール出力を備えていますが、入力は正電源レールと負電源レールから300mVのヘッドルームを必要とします。このヘッドルームの要件により、−2.5Vに選択した負電源が必要になります。

AD8634は、温度定格が175℃の8ピンSOICパッケージと、温度定格が210℃の8ピンFLATPACKパッケージを採用しています。

ADCドライバとAD7981の間のRCフィルタは、AD7981の入力に注入されるキックバックを減衰させ、入力へのノイズを帯域制限します。ただし、帯域制限をしすぎると、セトリング・タイムと歪みが大きくなる可能性があります。最適なRC 値の計算は、主に入力周波数とスループット・レートに基づいて行います。ここに示した例では、R = 85Ω とC = 2.7nFが693kHz のカットオフ周波数になる最適な値です。計算の詳細については、アナログ・ダイアログ資料「高精度SAR A/Dコンバータ（ADC）のフロントエンド・アンプとRCフィルタの設計」を参照してください。

この回路では、ADCドライバはユニティ・ゲインのバッファ構成になっています。ADCドライバのゲインを上げると、ドライバの帯域幅が減少してセトリング・タイムが長くなります。この場合、ADCのスループットを下げることが必要になります。つまり、ゲイン段の後にドライバとしてバッファを追加することができます。

電圧リファレンス

210℃での最大静止電源電流がわずか60μAで、40ppm/℃（typ）の非常に低ドリフトの2.5V電圧リファレンスADR225は、この低消費電力データ・アクイジション回路に最適なデバイスです。ADR225は、初期精度が±0.4%で、3.3V～16Vの広い電源電圧範囲で動作することができます。

他のSAR ADC同様、AD7981の電圧リファレンス入力は動的入力インピーダンスを持っているため、図4に示すように、REFピンとGNDの間を効果的にデカップリングした低インピーダンス源によって駆動する必要があります。AD8634はADCドライバのアプリケーションに加えて、リファレンス・バッファとしても最適です。

リファレンス・バッファを用いるもう1つの利点は、ローパスRCフィルタを追加することにより、電圧リファレンス出力のノイズをさらに低減できることです。この回路では、49.9Ωの抵抗と47μFのコンデンサで約67Hzのカットオフ周波数を得ています。

変換の間、AD7981のリファレンス入力に最大2.5mAの電流スパイクが生じる可能性があります。値の大きな蓄電コンデンサをリファレンス入力のできるだけ近くに設置することによってこの電流を流し、リファレンス入力のノイズを小さく抑えます。一般に、10μF以上の低ESRセラミック・コンデンサを使用しますが、高温のアプリケーションにはセラミック・コンデンサは使えません。このため、回路の性能にほとんど影響しない47μFの低ESRタンタル・コンデンサを選択しました。

デジタル・インターフェース

AD7981は、SPI、QSPIなどのデジタル・ホストと互換性がある柔軟なシリアル・デジタル・インターフェースを備えています。このインターフェースは、入出力数を最小にするためのシンプルな3線モード、またはデイジーチェーン接続による読出しとビジー表示のオプションが可能な4線モードの構成にすることができます。また、4線モードはCNV（変換入力）からの独立した読出しタイミングを可能にし、複数のコンバータで同時サンプリングを行うことができます。

このリファレンス設計に用いるPMODインターフェースは、SDIをVIOに接続したシンプルな3線モードを構成します。VIO電圧は、SDP-PMODインターポーザ・ボードにより外部から供給します。

電源

このリファレンス設計は、+5Vと−2.5Vの電源レールに低ノイズの外部電源を必要とします。AD7981は低消費電力なので、図5に示すように、リファレンス・バッファから直接給電することができます。このため、電源レールを追加する必要がなく、電力とボード・スペースが節約されます。

ICのパッケージと信頼性

アナログ・デバイセズの高温製品ラインのデバイスでは、設計、特性評価、信頼性認証、および出荷時のテストを含む特別なプロセス・フローを実践しています。このプロセスの一部として、極端な温度に対して特別に設計した特殊パッケージがあります。この回路の175℃のプラスチック・パッケージには特殊素材が用いられています。

高温パッケージの主な故障メカニズムの1つは、ボンディング・ワイヤとボンディング・パッドのインターフェースで、特に、プラスチック・パッケージで標準的な金（Au）とアルミ（Al）の金属を組み合わせた場合です。温度が上昇すると、AuAl金属間化合物の成長が加速します。脆弱なボンディングやボイディングなどのボンディング故障に関係するのがこれらの金属間化合物で、図6に示すように、数百時間で生じる可能性があります。

これらの故障を避けるため、アナログ・デバイセズではオーバー・パッド・メタライゼーション（OPM）プロセスを採用して、金のボンディング・ワイヤを接続する金のボンディング・パッド面を形成しています。この単一金属システムでは金属間化合物が生じないため、図7に示すように、195℃での6000時間のソークによる認証テストで信頼性が実証されました。

 

 

 

図7. OPMパッド上のAuボール・ボンディング、195℃で6000時間後

アナログ・デバイセズは195℃での高信頼度のボンディングを実証しましたが、プラスチック・パッケージの動作定格は成形材料のガラス転移温度によって決まる175℃までです。

この回路に用いた175℃定格の製品に加えて、セラミックFLATPACKパッケージの210℃定格のモデルも利用できます。カスタム・パッケージを必要とするシステム用に、良品保証ダイ（KGD）を利用することもできます。

アナログ・デバイセズでは、デバイスを最大動作温度にバイアスさせた高温動作寿命（HTOL）を含む、高温製品の統合型信頼性認証プログラムを用意しています。高温製品のデータシートでは、最大定格温度で最小1000時間の認証時間を規定しています。生産される各デバイスの性能を保証するのに必要な最終ステップは製造時の全数テストです。アナログ・デバイセズの高温製品ラインの各デバイスは、性能を満たしていることを保証するため、製造時に高温でテストされます。

受動部品

受動部品は高温定格のものを選択する必要があります。この設計では、175℃以上の薄膜低TCR抵抗を用いました。小さな値のフィルタとデカップリングにCOG/NPOコンデンサを使用しました。これらのコンデンサの温度係数は非常にフラットです。高温定格のタンタル・コンデンサはセラミック・コンデンサよりも大きな容量のものを入手可能で、電源のフィルタリングに一般的に使用されています。このボードに使用しているSMAコネクタの温度定格は165℃なので、高温での長時間テストは避ける必要があります。同様に、0.1インチ・ヘッダ・コネクタ（J2とP3）の絶縁素材は高温での短時間の定格しか規定されていないため、これも長時間の高温テストは避ける必要があります。

PCBレイアウトとアセンブリ

この回路のPCBはアナログ信号とデジタル・インターフェースがADCの両側になるように設計されており、ICの下やアナログ信号経路の近くを通るスイッチング信号はありません。この設計によってADCダイに結合されるノイズの大きさを最小限に抑えることで、アナログ・シグナル・チェーンをサポートします。AD7981のピン配置では、全てのアナログ信号を左側に、全てのデジタル信号を右側にしているため、この作業が容易になります。電圧リファレンス入力REFには動的入力インピーダンスがあるため、寄生インダクタンスを最小にしてデカップリングする必要があります。これは、リファレンス・デカップリング・コンデンサをREFピンとGNDピンのできるだけ近くに設置し、ピンへの接続を幅の広い低インピーダンスのパターンで行うことによって実現します。このボードのレイアウトは、熱をボードの底面から加える温度テストを容易にするため、部品がボードの上面だけになるように意図的に設計されています。レイアウトに関する推奨事項の詳細については、AD7981のデータシートを参照してください。

高温回路では、信頼性を確保するために特殊な回路素材とアセンブリ方法を用いる必要があります。FR4はPCBの積層板に用いる一般的な素材ですが、コマーシャル・グレードのFR4の標準ガラス転移温度は約140℃です。140℃を超えると、PCBは破壊や層間剥離が始まり、部品にストレスを与えます。高温アセンブリ用に広く用いられている代替素材はポリイミドで、標準ガラス転移温度は240℃以上です。この設計では4層ポリイミドPCBを使用しました。

特に錫を含む半田とともに使用する場合、半田に銅箔パターンとの金属間化合物が形成される傾向があるため、PCB表面も問題になります。ニッケルと金の表面仕上げが一般的に使用されており、ニッケルがバリアとなり、金が半田接合ボンディングに適した表面となります。融点とシステムの最大動作温度の間に十分なマージンを持つ高融点の半田を使用することも必要です。このアセンブリにはSAC305鉛フリー半田を選択しました。融点が217℃で、175℃の最大動作温度から42℃のマージンがあります。

性能予測

AD7981では、1kHz入力トーンと5Vリファレンスで標準91dBのSNRが規定されています。ただし、低消費電力/低電圧システムに一般的な低リファレンス電圧を使用すると、SNRがある程度低下することが予想されます。AD7981のデータシートの代表的な性能特性のグラフから、室温と2.5Vのリファレンスで約86dBのSNRが予想されます。このSNR値は、図8に示すように、回路を室温でテストしたときに得られた性能の約86dBのSNRと変わりません。

この回路を全温度範囲で評価すると、図9に示すように、SNR性能は175℃で約84dBに低下するだけです。図10に示すように、THDは−100dBより良好な値を維持します。175℃での回路のFFTの概要を図11に示します。