當我們想到惡劣的環境時，毫無疑問，這個星球上最具挑戰性的應用之一就是井下鉆探。油田服務公司正在推動技術極限，以設計必須經受極壓，沖擊和振動的精密設備，同時具有較長的電池壽命并適合非常小的外形尺寸。然而，在這種環境下使用電子設備的最大挑戰可能是極端溫度。這些高溫是深度的函數;而平均地熱梯度約為25°C / km，在某些地區可能更高。由于全球能源需求的增加，有動力鉆探和開發這些較熱的井，以前這樣做是不可行的。不幸的是，在這種環境中冷卻電子設備不是一種選擇。正因為如此，業界正在呼吁精密儀器必須在200°C以上可靠地運行。實際上，失敗的高成本強調了可靠性的重要性。位于地下數英里的鉆柱上的電子組件可能需要一天多的時間來取回和更換 - 并且運行復雜的深水海上鉆井平臺的速度每天可超過50萬美元。

除了石油和天然氣勘探，還有其他新興的高溫電子應用。航空業朝著“更多電動飛機”的方向發展。該計劃的一部分旨在用分布式控制系統取代傳統的集中式發動機控制器，使發動機控制系統更靠近發動機，大大降低了互連的復雜性并節省了成本。數百磅的飛機重量。該計劃的另一個方面是用電力電子設備和電子控制裝置取代液壓系統，以提高可靠性并降低維護成本。控制電子設備理想地需要非常靠近致動器，這再次產生高環境溫度環境。與航空電子噴氣發動機類似，用于發電的重型工業燃氣輪機需要控制系統和儀表。

高溫額定IC

過去，高溫電子設計師被迫由于高溫IC不可用，使用高于其額定規格的元件。雖然某些標準溫度IC可能具有高于規格的有限功能，但這是一項艱巨而冒險的嘗試，并且無法保證可靠性或性能。例如，工程師必須識別潛在的候選人，完全測試和表征溫度下的性能，并在很長一段時間內確定部件的可靠性。零件的性能和壽命通常大幅降低，并且可能在制造批次之間發生顯著變化。這是設計師希望避免的具有挑戰性，昂貴且耗時的過程。此外，目標設計溫度正在轉變為175°C，更高級的封裝是必要的，即使在短時間內也能實現可靠性。

幸運的是，近年來的進步使得高溫額定IC可以現貨供應。 ADI公司高溫產品系列中的產品采用專業工藝技術，電路設計和封裝，并提供全面的表征，鑒定和生產測試程序，以確保高溫下的可靠性能，并保證數據手冊的規格。

高溫信號鏈

雖然我們已經介紹了高溫電子產品的一些不同的終端應用，從石油勘探到航空電子設備再到重工業領域，但它們的信號鏈有幾個共同的要求。這些系統中的大多數需要從多個傳感器獲取精確數據或需要高吞吐率。此外，許多這些應用具有嚴格的功率預算，因為它們是從電池運行的，或者不能容忍電子器件自加熱引起的額外溫度增加。因此，需要一個低功率數據采集信號鏈，包括傳感器，精密模擬元件和高吞吐量ADC。

即使現在有商用的HT額定IC，但選擇仍然有限今天的電路構建塊。特別是，沒有商用精密ADC，它們的功率低，采樣率高于100kSPS，額定工作溫度高于200°C。對于需要采集和處理更寬帶寬信號或想要復用信道的電路設計人員來說，這是一個主要的難點。為了滿足這一需求，ADI公司最近發布了AD7981 ADC，采樣率高達600kSPS，分辨率為16位，同時保持低功耗和非常小的占位面積。它現在采用10引腳MSOP封裝，額定溫度為175°C，額定溫度為210°C的陶瓷扁平封裝，即將推出已知良好的裸片版本。作為案例研究，我們將進一步詳細研究該ADC的特性，使其在極端溫度下具有突破性的性能和可靠性。

AD7981高溫ADC

AD7981是一款16位，低功耗，單電源ADC，采用逐次逼近架構（SAR），采樣速率高達600kSPS。它基于ADI公認的SAR核心，該核心已被設計用于大量工業和儀器系統。該架構基于ADI專有的電荷再分配容性DAC技術。 CMOS制造工藝在高溫下實現了優異的性能，部分原因在于這些電容器在整個溫度范圍內的匹配和跟蹤。此外，還對采集電路進行了優化，以提高高溫下的精度。

AD7981的典型應用信號鏈如圖1所示，其中高溫合格的軌到軌輸出，精度高，低功耗，雙通道放大器AD8634用于驅動AD7981的輸入，并作為參考緩沖器與高溫合格的低溫漂移ADR225 2.5 V基準電壓源配合使用。 AD7981需要兩個電源：模擬和數字內核電源（VDD），以及數字輸入/輸出接口電源（VIO），用于直接接口，具有1.8 V至5V之間的任何邏輯電壓。 VIO和VDD引腳可以連接在一起，以減少所需的電源數量。

AD7981具有出色的交流和直流性能，典型值為±0.7LSB INL，-102dB THD和91dB SNR ，即使在175°C的高溫下，也能實現高動態范圍，更高的精度和精度。 AD7981典型的INL vs.code曲線如圖2所示。

AD7981在各種溫度下寬輸入頻率范圍內的信噪比和失真（SINAD）性能如圖3所示。

AD7981最大化電池電量通過吞吐速率線性調整功率，在惡劣環境中生活，在600kSPS的全吞吐量下通常耗散約4mW，在10kSPS時耗散70μW，如圖4所示.AD7981在轉換之間自動關斷以節省功耗。這使得該器件非常適合低采樣率應用，甚至幾Hz，并且可以為電池供電的便攜式系統提供極低的功耗。

AD7981提供靈活的串行數字接口與SPI和其他數字主機兼容。它可配置為簡單的3線模式以實現最低I / O數，或4線模式，允許菊花鏈回讀和同步采樣選項。對于多通道數據采集系統，AD7981可輕松與多路復用器配合使用，因為它集成了片上采樣保持電路，SAR架構不會出現任何流水線延遲或延遲。

高溫包裝

一旦我們擁有在高溫下運行的高性能硅，就只能贏得一半的戰斗。堅固的封裝對于必須經受惡劣高溫環境的集成電路至關重要。該封裝必須提供足夠的保護，以免與環境和PCB的可靠互連，同時具有適合系統任務配置文件的形狀因子。

雖然可靠包裝有許多考慮因素，但主要故障之一高溫下的點是線鍵合。這種失效在工業中常見的塑料包裝中尤其成問題，其中金鍵合線和鋁鍵合焊盤是標準的。升高的溫度加速AuAl金屬間化合物的生長。這些金屬間化合物與鍵合失效有關，例如脆性鍵合和空洞，這可能會在數百小時內發生，如圖5所示。為了避免這些失敗，ADI使用過焊盤金屬化（OPM）工藝來創建金鍵合墊表面為金鍵合線附著。這種單金屬系統不會形成金屬間化合物，并且在我們的鑒定測試中已被證明是可靠的，在195°C下浸泡超過6000小時，如圖6所示。盡管ADI在195°C時顯示出可靠的粘合，但塑料包裝的額定值可用于操作由于模塑料的玻璃化轉變溫度，僅高達175°C。

應用實例

上述AD7981組合的關鍵特性如此高性能，堅固性，低功耗和靈活配置可滿足惡劣，高溫環境下精密測量應用的關鍵性能標準，如井下石油和天然氣鉆井，以及工業，儀器儀表和航空電子應用。

AD7981是不斷發展的高溫產品系列的成員之一，可實現從傳感器到處理器的精確模擬信號處理。 AD7981還提供ADR225 2.5V輸出基準電壓源和AD8634 / AD8229放大器，用于信號調理。高溫額定MEMS慣性傳感器，如ADXL206加速度計和ADXRS645陀螺儀，可為設計人員提供有關系統方向和運動的信息。使用這些組件的井下鉆井儀器的簡化信號鏈如圖7所示。

在此應用中，對來自各種井下傳感器的信號進行采樣，以收集有關周圍地質構造的信息。這些傳感器可以采用電極，線圈，壓電或其他傳感器的形式。加速度計，磁力計和陀螺儀提供有關鉆柱的傾斜度，方位角，旋轉速率，沖擊和振動的信息。這些傳感器中的一些具有非常低的帶寬，而其他傳感器可以具有音頻范圍和更高的信息。 AD7981能夠從具有不同帶寬要求的傳感器中采樣數據，同時保持功率效率。占地面積小，即使在空間受限的布局中也可輕松包含多個通道，例如井下工具中常見的非常窄的板寬。此外，靈活的數字接口允許在更苛刻的應用中同時采樣，同時還允許針對低引腳數系統進行簡單的菊花鏈式讀取。

摘要

總之，極高溫度是惡劣環境系統中最大的挑戰之一。然而，新型高溫額定IC（如AD7981）使設計人員能夠利用高精度，低功耗且具有良好合格可靠性的現成組件來克服這一挑戰。