עיצוב Adcs עבור איכות הסביבה בהגדרות תעשייתיות

תכנון אנליסטים-to-Digital Converters (ADCs) עבור סביבות עתיריות בהגדרות תעשייתיות הוא אתגר הנדסי מורכב הדורש הבנה עמוקה של פיזיקה למחצה, עיצוב מעגלים וניהול תרמי.ביישומים החל מתרגול מטה ואווירה חללית של טכניקות למניעת הריון וייצור פלדה, אלקטרוניקה חייבת לפעול באופן אמין בטמפרטורות ממושכות מעל 85°C, אפילו כדי לפתח אסטרטגיות מתקדמות של עיצובים מתקדמים, כולל אסטרטגיות תאורה תעשייתית גבוהה.

הבנת ההשפעה של טמפרטורה גבוהה על ביצועי ADC

טמפרטורות מאוישות משפיעות לרעה כמעט על כל היבט של פעולת ADC.שורש הסיבות הן פיזיות: ניידות מוגברת, זרמי דליפה גבוהים יותר, והתרחבות של חומרים שגורמים להפחתה בביצועים.

רעש ומשמעת

רעש עצום, הידוע גם בשם רעש ג'ונסון-ניקוויסט, גדל כמו השורש הריבועי של טמפרטורה מוחלטת.ב- ADC, זה מעלה את רצפת הרעש, צמצום מספר ה bits (ENOB) יתר על כן, טמפרטורות צומת בעיגול אנלוגי מעל רעש ירי רעש ורעש flicker, במיוחד בשלבים קלט אשר מטפלות אותות קטנים מעל 125 מעלות צלזיוס, יחס אות-to-to-noisen-S) יכול להיות אופייני של 50 מעלות צלזיוס, במיוחד על ידי ירידה אופייני יותר, במיוחד בשלבים של 50 מעלות צלזיוס, או ירידה אופייני יותר, במיוחד בשלבים של עלייה של 50 מעלות צלזיוס, במיוחד בשלבים של ירידה אופייני יותר, במיוחד בשלבים של 50 מעלות צלזיוס, במיוחד בשלבים של עלייה CM, במיוחד בשלבים של עלייה אופיינית יותר, במיוחד בשלבים של עלייה של 50 מעלות צלזיוס, במיוחד בשלבים של 0.

ד"ר ד"ר ודמוקרטיה

Precision ADCs מסתמכים על הפניות מתח יציבות, רשתות התנגדות, ומקורות נוכחיים מכובדים היטב.טמפרטורות גבוהות לגרום לסחף הפניה מתח - לעתים קרובות על סדר של עשרות חלקים למיליון מעלות צלזיוס. ערכים עמידים משתנים עם טמפרטורה בשל הטמפרטורות שלהם coefficient (זמן), הצגת שגיאות רווח וסחף מחלחל באופן דומה, את הופעת המתח התפעולי של מדגמי בתוך ה-ADC, יכול לפחות להתגבר על כמה שגיאות פעילות גופנית).

מתח כבד וגמישות

חזר על אופניים תרמיים וטמפרטורות גבוהות מתמשכת לגרום ללחץ מכני בסיליקון למות, חוטי אג"ח וחומרי אריזה. coefficient של התרחבות תרמית (CTE) פגמים בין סיליקון, תת-קרקעי, וחבילה יכולה לגרום microcracks, דלמנטום, או עייפות של חיבור חוט. מנגנוני כישלונות אלה להתבטא כמו כישלונות לסירוגין, בידוד מוזנח, או התמוטטות מלאה של נתונים לטווח ארוך מ-FLT: 10 ° CR.

בחירת התאמות לטמפרטורות קיצוניות

לא כל הרכיבים האלקטרוניים נוצרים שווים כשמדובר בצמיחה גבוהה של זמן. מהנדסים חייבים לבחור בקפידה מכשירים פעילים ופסיבית שדרגו למגוון התרמית המיועד, ולשמור על הפרמטרים המרכזיים בטווח זה.

ראשי התיבות של High-Temperature-Rated Semiconductors: SiC, GaN, ו-SOI

CMOS נפוץ סובל זרמי דליפות משמעותיים מעל 150 מעלות צלזיוס, מתפתח חומרים רחב פסים כגון סיליקון carbide (SiC) ו גליום nitride (GaN) מציעים להקות של 3.26 eV ו- 3.4 eV, בהתאמה, בהשוואה ל- 1.12 e-V של סיליקון, זה רחב יותר פסגות להפחית באופן דרסטי את החברה הנורבגית, המאפשרת הפעלה של 300 מעלות צלזיוס, ללא סיליקון -2 ליטר (OC) מ-Acrecrecrecrecrecrecercercercerc) הוא סיליקון (OC) ללא סיליקון) מ-C) מ-C) מ-C) מ-C, 000 יותר מ-APTD) מ-APTDLOcerlid (עבור יותר מ-APTD) מ-C יותר מ-C) מ-C, 000 יותר מ-C יותר מ-C-C-C-C-C יותר מ-C-C-C יותר מ-C.

פאסיביות עם טמפרטורה נמוכה Coefficient

רזיסטים ו- capacitors בנתיב האות האנלוגי חייבים להיות tempco מינימלית tempco.il-film מתנגדים עם tempcos מתחת 50 ppm / ° C הם מועדפים, בעוד נוגדנים מיוחדים יכולים להשיג 5 pm / C או טוב יותר. Ceramic capacitors עם C0G (NP0) מפגינים עמידות יציבה ביותר על פני טמפרטורה, בניגוד ל- X7R5, אשר יכול לעתים קרובות לפתח יישומים פולימדומים.

שיקולים: Ceramic, Hermetic, and Thermal Conduction

חבילות פלסטיק אינן מתאימות לסביבות עתיריות גבוהות מכיוון שהן מחוץ לגז, סופגות לחות, ולא יכולות לעמוד בטמפרטורות מעל 150 מעלות צלזיוס לתקופות ארוכות.חבילות סרמאמיות, כגון HTCC (High-temperature co-firedקרמיקה) או חבילות מתכת הרמטיות, לספק מוליכות תרמית מעולה ויציבות מכנית.

טכניקות עיצוב מעגליות עבור Thermal Stability

מעבר למבחר רכיב, טופולוגיה מעגלית ופריסת משחקים תפקיד מכריע בשמירה על ביצועי ADC בטמפרטורות.

המונחים: Voltage Regulation

ההתייחסות למתח היא לעתים קרובות הקישור החלש ביותר ב- ADC.התייחסויות המסורתיות באמצעות סיליקון דו קוטבי טרנזיסטורים יש סחף טיפוסי של 50-100 pm / C. עבור סביבות קשות, מהנדסים פונים אל אזכורים קבורים-Zener או טמפרטורה-מתאים ל- PCB- pgp כי משתמשים במספר נקודות הפעלה כדי לבטל את ה-coper-bilized מעגלים יכולים גם לטאטא נמוך (p) כאשר הם לשמור על ביצועים טובים (D) עם ביצועים טובים (DC) עם ביצועים טובים (D) עם ביצועים טובים (DLCC) עם ביצועים טובים) עם ביצועים טובים (DLCC) עם ביצועים קצרים, כאשר הם משתמשים ב-p) עם ביצועים טובים (DLCC) עם ביצועים טובים (D) קרוב יותר קרוב יותר קרוב יותר, כאשר הם משתמשים בנקודות הפעלה) קרוב ל-ALD) עם ביצועים טובים (DLCD) עם ביצועים טובים, כאשר הם משתמשים בנקודות הפעלה מספר פעמים) עם ביצועים טובים (D.

דיפלומיות ו-Chopper-Stabilized topogies

מבנים שונים של קלט דוחים רעש משותף ולהפחית את ההשפעה של סחף מכוסה טמפרטורה בהשוואה עיצובים חד-צדדיים. ייצוב צ'ופר הוא טכניקה ידועה שבו אות קלט הוא מודמנט לתדירות גבוהה יותר, מוגבר, מסונן, מסונן, ולאחר מכן להרוס.זה מסיר רעש נמוך ⁇ (1 / flickr) ו DC, אשר הם להחמיר על ידי טמפרטורות גבוהות של C-C-D.

מעגל וסגיעה

חיישנים ברמת המערכת מאפשרת ל- ADC לתקן את שגיאותיו בזמן אמת.ICs רבים מעורבים כעת חיישן טמפרטורה משולב ואלגוריתם קליברציה המתאים את ה- ADC לתקן שגיאותיו בזמן אמת.ICs רבים מעורבים בסימן תעשייתי רבים כוללים חיישן טמפרטורה משולב ואלגוריתם calibration אשר מאמת את מתח ההתייחסות, רווח, ופותח כשינויים בטמפרטורה במהלך ייצור יכול לתקן את התקני הזיכרון באופן מיידי, לאחר מכן, הם יעילים לשימוש באפקטים של זיכרון מיידי.

טכניקות דיגיטליות מתקדמות

הגבול לעיבוד אותות דיגיטליים מציע כלים חזקים כדי לשמור על נאמנות ADC כאשר ביצועים אנלוגיים מתפוגגות.

תיקון שגיאות בזמן אמת באמצעות מודלים חיזוי

על ידי הטמעת חיישן טמפרטורה על שבב ADC ושולחן מבט של פרמטרים תיקון מראש characterized על פני טמפרטורה, ממשק דיגיטלי יכול ליישם התאמות קנס לכל המרה.טכניקה זו, לפעמים נקרא "מדיעה עצמית דיגיטלית", יכול להפחית באופן משמעותי שגיאות הנגרמות טמפרטורה מבלי לשנות את הקצה האנלוגי.

פילטר והפחתה

ב oversampling delta-sigma ADCs, מסנן הפחת הדיגיטלי יכול להיות מותאם על בסיס קריאה טמפרטורה כדי לייעל רעש עיצוב חיתוך תדרים. בטמפרטורות גבוהות יותר, שבו רעש תרמי שולט, להגדיל את היחס oversampling והורדת רוחב הפס יכול לשחזר כמה SNR. קונפורצנדאלי, כאשר הטמפרטורה טיפות ורעשים, גבוה יותר דרך ניתן להשיג זה דינמי טווח רחב יותר.

טמפרטורה משולבת רגישה והשגחה

מודרני של זמן גבוה זמן רב ADCs לעתים קרובות לשלב אחד או יותר חיישנים טמפרטורה לצד הליבה המרה.חיישנים אלה להאכיל לוגיקה ניטור רציף שיכול ליצור התראה או ליזום סגר מבוקר אם טמפרטורת המוות עולה על סף בטוח.הם גם לספק את אות משוב הדרוש עבור הלולאות בזמן אמת כיור שתואר לעיל.

אסטרטגיות ניהוליות

אפילו ADC המעוצב הטוב ביותר להיכשל אם הסביבה שלו עולה על הגבולות התרמיים של החומרים והתהליכים.ניהול תרמי יעיל הוא אפוא חלק בלתי נפרד מהעיצוב ברמת המערכת.

« « « חם סינקס ו-Competive Cooling

ברמת הלוח, יש למכור את המשטח התרמית של ADC למטוס נחושת גדול שהתנהגות חום לכיור חום ייעודי או לשאסים.שימוש תרמי באמצעות חיבור של השכבה העליונה לשכבות קרקעיות פנימיות מגביר את החלקה הקדמית לזרימת חום.בכמה עיצובים תעשייתיים, PCB עצמו הוא רכוב על ליבה (metal-core) שמפשטת ביעילות חום עבור טמפרטורות אוויריות נדרשות, אשר עלולות להיות מכוונן מתחת ל טמפרטורות קרות.

פתרונות מגניבים Active Cooling Solutions

בעוד קירור פסיבי הוא המועדף על אמינות, קירור פעיל עשוי להיות בלתי נמנע במקומות חמים מאוד.מעריצי מיניאטורי זמינים בגרסאות עתיריות גבוהות, אבל הם מציגים חלקים נעים שיכולים ללבוש ולהדרוש תחזוקה. קרירים הירומאלקטריים (מכשירים זעירים) מציעים קירור מצב מוצק, אבל הם צורכים כוח משמעותי והופכים פחות יעילים ככל שהטמפרטורה החמה עולה Activecorreative הוא הטוב ביותר עבור מצבים שבהם ADC חייב להיות מעל 200 מעלות צלזיוס.

עיצוב מערכת-Level Thermal Design: Isolation and Partitioning

גישה פרגמטית היא לבודד את ADC הרגיש ממקורות תרמיים קשים ביותר.לדוגמה, הצבת ADC על לוח בגרות נפרד כי הוא מתמוסס תרמיים מאלקטרוניקה כוח חם, או באמצעות צינור חום להעברה חום, יכול לשמור את ADC בטווח הדירוג שלה.הפריסה הפיזית של המערכת צריכה לנצל את הצטברות הטבעית ולהבטיח כי רכיבים חמים לא להתקרר ישירות על סעיף אנלוגי.

בדיקה ואימות ל-High-Temperature ADCs

תכנון לטמפרטורה גבוהה אינו שלם ללא בדיקה קפדנית.בדיקות מסחריות סטנדרטיות בטמפרטורת החדר אינן מספיקות כדי להבטיח ביצועים בתנאים קיצוניים.

בדיקה אחרונה ב- HTOL ו- High-Temperature Operating Life (HTOL)

HTOL ממקד את ADC בטמפרטורה הגבוהה ביותר שלה (לעתים קרובות 150 מעלות צלזיוס או 175 מעלות צלזיוס) תוך יישום אותות קלט מתמשכים או דינמיים.המכשיר הוא מעקב עבור סחף קצבי וכשלונות פונקציונליים במשך אלפי שעות. תקני תעשייה כגון JEDEC (FLT:0JESD22-A108FLT:1 לספק הנחיות לבדיקות כאלה.

איור מעל טמפרטורה: מ -55 ° C ל +225 ° C

אופי מלא דורש סחף את ADC בטווח הטמפרטורה המיועד שלה תוך מדידה פרמטרים מרכזיים: עלייה שגיאה, ב-L, DNL, SNR, ו- ENOB. הנתונים שנאספו לתוך דגמי ה calibration וגם מאמת את שולי העיצוב.

תקנים ותעודות: AEC-Q100, MIL-STD ואחרים

עבור יישומים של רכב ואווירה, עמידה בסטנדרטים הסמכה היא חובה. AEC-Q100 (עבור רכב) כולל דירוג 0 של רמה 0 עבור מכשירים הפועלים בטמפרטורות ממותג עד 150 מעלות צלזיוס, בעוד שדרגה 0 המורחבת יכולה להגיע ל-175 מעלות צלזיוס. MIL-STD-883 ו- MIL-PRF-385 מגדירה בדיקות עבור יישומים צבאיים וגבוהים של סטנדרטים לבדיקות לבדיקות דלק תרמילאור, אשר משמשות לקרינה גרעינית, או לקרינה תעשייתית, אשר משמשות, אשר משמשות, או לקרינה גרעינית רלוונטית, או לקרינה בינונית, אשר משמשות, אשר משמשות, לכל קרינה רדיואקטיבית, כולל קרינת שמן צמחית, או לקרינה רדיואקטיבית, אשר משמשות, או לקרינה גרעינית, או לקרינה רדיואקטיבית רלוונטית, או לקרינה גרעינית, אשר משמשות, אשר משמשות, אשר משמשות, אשר משמשות, אשר משמשות, אשר משמשות, לכל קרינה גרעינית, כולל קרינת שמן צמחיית, אשר משמשות, כולל קרינת דלק רדיואקטיבית, או לקרינה בינונית, או לקרינה תעשייתית רלוונטית, אשר משמשות, כולל קרינת שמן צמחיית, כולל קרינת דלק רדיואקטיבית, כולל קרינת שמן-HDR

מחקרים ויישומים

עקבו אחרי Downhole Moving

בתעשיית הנפט והגז, כלי מדידה (MWD) חייבים לשרוד טמפרטורות מעל 175 מעלות צלזיוס בעומק של כמה קילומטרים. ADCs בכלים אלה להמיר אותות ממגנטים, מאיץמטרים, וחיישנים לחץ. A מקרה מחקר מיצרן כלי מוביל הראה כי באמצעות ADC מבוסס 16 סיביות עם דיוק קלמנט משופר על ידי 40% CM, אשר שימש גם הוא מסגסוגת קירור ישירות.

חלל ו Avionics

יחידות בקרה של מנוע ג'ט (FADECs) ו- Actuator מערכות משוב דורשות ADCs שפועל בטווח של 125 מעלות C ל-150 מעלות צלזיוס, לעתים קרובות עם אמינות מחמירה על פני אלפי מחזורי טיסה.כאן, קרמיקה ארוזה ADC עם בנוי-in-in-test עצמי (BIST) מועדפים.השימוש בערוצי ADC עם לוגיקה מובנית משפרת עוד יותר את הסובלנות.

בקרת מנוע רכב וכוח רכב חשמלי

מנועי הבעירה פנימיים מודרניים יש חיישנים ליד מפולטים ממאים שרואים מעל 150 מעלות צלזיוס באופן דומה, כלי רכב חשמליים (EVs) להציב ADCs במכשול כוח ועל מטען לוח שבו קירור הוא מאתגר. AEC-Q100 דרגה 0 ADCs עכשיו נפוץ יישומים אלה.המגמה לעבר כוננים משולבים כי משלבים את inverter ומנוע לתוך יחידה אחת דוחפת דרישות טמפרטורה, אפילו גבוה יותר של C.

מגמות עתידיות בעיצוב גבוה ADC

דחיפה לטמפרטורות תפעול גבוהות יותר ממשיכה, מונעת על ידי דרישות עבור מערכות קטנות יותר, משולבות יותר ולפעול בסביבות קיצוניות כמו חקר ונוס או בארות גיאותרמיות עמוקות.

Bandgap Semiconductors ו- GaN- Based ADCs

קבוצות מחקר הוכיחו את חזית ADC בנוי לחלוטין בגליון nitride (GaN) שפועלת ב-300 מעלות צלזיוס ללא ירידה בביצועים. בעוד אלה מוגבלים כעת לרזולוציה נמוכה (10-12 ביטים) ומהירויות בינוניות, הפוטנציאל ל-200 מעלות C+ תפעול ביישומים של חשמל-חשמל הוא עצום.שדה החשמלי הקריטי הגדול של GaN מאפשר גם גבוה ADC שיכול ישירות עם אותות קשיחים במתחם בתוך סביבות חיצונית.

אריזה מתקדמת: אינטגרציה 3D ו- Thermal Isolation

ערימה 3D של מת עם דרך silicon דרך (TSVs) מאפשר לחלקים אנלוגיים ודיגיטליים של ADC להיות ממוקם על מטוסים תרמיים נפרדים.המות הדיגיטלי, אשר יוצר חום יותר, יכול להיות ממוקם על נתיב תרמי ייעודי, בעוד האנלוגי הרגיש נשאר קריר יותר.טכניקה זו, בשילוב עם ערוצי קירור מיקרו-השפעה לתוך סיליקון, יכול לדחוף את האמינות מעבר 225 מעלות צלזיוס.

Machine Learning for Predictive Calibration

במקום שולחנות תצפית פשוטים, ADCs עתידיים בטמפרטורה גבוהה עשוי להשתמש ברשתות עצביות שבב מאומן לחזות את הפרמטרים האופטימליים של calibration המבוססים על טמפרטורה בזמן אמת וקריאות מתח. גישה זו יכולה לפצות על השפעות ההזדקנות שאינן לינאריות ומכשיר עצמאיות עבודה מוקדמת שפורסם ב-FLT:0IEEEFLT:1 כנסים מראה כי דחיסה מבוססת AI יכול להפחית את הטמפרטורה של 24 מעלות צלזיוס לשיטות איטיות.

מסקנה

תכנון ADCs לסביבות תעשייתיות בטמפרטורה גבוהה הוא משמעת רב-פנים הדורשת מבחר חומרי זהיר, מעגלי חדשני לתנצלויות, וניהול תרמי חזק.שילוב של מוליכים למחצה רחבים, אריזה מתקדמת, מעגלים דיגיטליים-עצמיים-עצמיים, ובדיקות קפדניות מאפשרות דיוק המרה אמין בסביבות שהיו בלתי-צפויות לפני עשור.