Giriş: Harsh Industrial Environments'teki ADCs'lerin Eleştirel Rolü
Analog-to-Dijital havuzlar (ADC), fiziksel dünya ve dijital kontrol sistemleri arasında endüstriyel otomasyonda sensör köprü olarak hizmet eder.Deneysel reaksiyon proseslerini kontrol etmek için, ADCs, programlanabilir mantık kontrol sistemlerinin (PLC) ve dağıtım sistemlerinin sürekli analog sinyalleri döndürür.
Endüstriyel otomasyon ortamları genellikle garanti edilemez. Çelik değirmenleri, cam üretim tesisleri, petrol rafinerileri, derin-daklı sondaj rigs ve güç nesil tesisleri, elektronik bileşenleri, standart ticari aralıkların ötesinde iyi bir şekilde sürdürmek için elektronik bileşenleri ortaya koyar.Böyle ayarlarda, çevre sıcaklıklarının rutin olarak 85°C'yi aşabilir ve 125°C'nin ötesindeki yerelleştirilmiş noktaları ile elektriksel otomasyonlarını sağlayarak, doğrusallığı ve uzun vadeli istikrarı garanti eder.
ADC Performansı Üzerine Yüksek Sıcaklıkların Etkisini Anlamak
Sıcaklık artışı, birden çok seviyede yarı iletken davranışı etkiler, ADC. Mühendislerinin temel performans ölçümlerini anlamak için bu bozulma mekanizmaları anlamalıdır.
Artan gürültü ve indirilmiş Signal-to-Noise Orantısını Azladı
Termal enerji yarı iletkenler içinde şarj taşıyıcıları uyarır, sinyal-to-noise oranını arttırır (SNR). ADC devrelerinde, bu, yüksek çözünürlükte bulunan aDCs olarak görünür. yüksek çözünürlükte ADCs (16 bit ve üstü), yüksek sıcaklıklarda etkili bir miktar (ENOB) yüksek sıcaklıklara göre, hassas ölçümler için dinamik aralıklarda her 10°C yükselir.
Parametre Drift ve Nonlinearity
Sıcaklık varyasyonları, doğru bir şekilde telafi edilmemiş gibi anahtar elektrik parametrelerinde değişim sağlar:0)Düresel gerilim, hata kazanır ve lineerlik[Dönetici: 1 ) İç referans gerilimi kaynağı, sık sık sık bir bandgap devresine dayanan, sıcaklıkla şarj edilen hızlarda, hızlanan yük dağıtım ağının başarı ile dağıtılması gereken hıza bağlı olarak, kontrol döngüsündeki gecikmeli hataların düşmesine yol açar.
Güvenilirlik ve Yaşam Zamanı
Sustained yüksek sıcaklıklar yarı iletken cihazlarda birden fazla başarısızlık mekanizmalarını hızlandırdı. [DDBT:0] Metal interconnects'te, sıcaklıkla üstlenir, ısı geçişi riskini artırır (CTE) silikonun bozulması (TDDB) [DDBT:3) [DDBT:3) Bu güvenilirlik sıcaklıklarında yüksek sıcaklıklarda artış gösterir, CMOS transistörlerin operasyonel ömrünü azaltır.
Yüksek Çağature ADCs için kritik malzeme seçimi
Standart silikon CMOS süreçleri genellikle 125°C'ye kadar kavim sıcaklıkları için derecelendirilmiştir. Bunun ötesinde, malzeme seçimi güvenilir işlemin birincil olanaklarından oluşur.
Geniş Bandgap yarı iletkenleri: Silikon ve Gallium Nide
Aşırı sıcaklık ortamları 200 °C'yi aşıyor, yüksek sıcaklık performansı gibi geniş bantgap malzemeler:0) ⁇ (SiC)) ve [[Dönüşükürücük konsantrasyonlar nitride (GaN)) Yüksek sıcaklık performansı sunar.Sürekli bant genişliğine sahip ADC'ler, 4H-SiC için 3, silikon için 1,0 eV ile karşılaştırılabilir, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte sabit motor uygulamaları için uygun hale getirirler.
Silikon-on-Insulator (SOI) Teknolojisi
SOI CMOS teknolojisi yüksek sıcaklık işlemleri için pratik bir orta zemin sağlar. Aynı sıcaklıktaki CMOS ile kıyaslar.Bu teknoloji aynı sıcaklıktaki ince silikon cihazı katmanını izole eden, substratdan gelen, ESFLT:0) Aşırılık uygulamaları ile sızıntıyı azaltır (-0.10C'ye göre 175°C'ye kıyasla) aynı sıcaklıkla aynı şekilde şekillendirilir.Bu teknoloji aynı şekilde yüksek sıcaklık ısıtılabilirliği ile aynı şekilde aynı şekilde ısıtılır.
Paket ve Substrate Innovations
Yüksek sıcaklık operasyonu, 125°C'nin üzerinde ciddi talepler yer alıyor.:0)Ceramik paketler (CQFP, CGA veya Hermetic Metal paketleri gibi)[FONTT:1), yüksek sıcaklıklı satıcılar (örneğin, yüksek sıcaklıklı yüksek sıcaklıklı yüksek çözünürlükte kullanılan standart plastik kalıp bileşikleri (örneğin, Au80Sn20 eute) veya 200 yüksek çözünürlükte görülen alüminyum kablolama riskini ortadan kaldırmak için yüksek çözünürlükte görülen standart bir şekilde arttırılıyor.
Termal Stres için Doğru ADC Mimarisini Seçin
Tüm ADC mimarileri sıcaklık varyasyonlarına eşit şekilde cevap vermez. Üstoloji seçimi doğrudan ölçüm sisteminin termal sağlamlığını etkiler.
Başarıcı-Approximation-Register (SAR) Yüksek Çağature Contexts
SAR ADCs, düşük güç tüketimi ve orta çözünürlük nedeniyle endüstriyel otomasyonda yaygın olarak kullanılmaktadır. Yüksek sıcaklık ortamında, yüksek sıcaklık işlemi için tasarlanmış temel zorluk, kapasitör dizileri ile ısıtıcı dijital ayarlı sistem ve dinamik element eşleştirmesi ile ayarlanan (DAC) ve integral olmayan oran hataların ısı geçişi için, yüksek çözünürlükte tasarlanmış 5 adetli bir şekilde ayarlı devre dışı bırakmak için tasarlanmıştır.
Delta-Sigma Modulators: Inherential Robust ama Architecture-Dependent
Delta-sigma ADCs yüksek çözünürlük elde etmek için aşırılık ve gürültü şekillendirmeye çalışır.Onlar geçişli optimizasyonlar ve operasyonel yükselteç performansına duyarlıdır, her ikisi de sıcaklıkla birlikte ısıtılır. ancak, eksiltme ile ısıtılır ve ısıtılır.
Boru Hattı ADCs: Unity ve Offset Drift
Boru hatları, video ve radar sistemlerinde kullanılan yüksek aktarım oranlarına ulaşır, ancak SAR veya delta-sigma mimarisinden daha hassastır. Inter-çiz dijital kalibrasyonlar ve sıcaklık-tavücut hataları, boş zaman içinde analog kaymalar için sınırlı bir şekilde azaltılır.
Flash ADCs: Heat Hassasity Maliyetinde Hız
Flash ADC'lerde paralel kompatörü serisi, onları doğal olarak yanlış bir şekilde ayarlar ve sıcaklıkla sürükler.Her bir hesaplamalı flaş algılaması bağımsız olarak, balon hatalarına ve non-monotonik davranışlara neden olur.[Dönderler yüksek sıcaklıklarda ve flaş ADCs nadiren yüksek hızda kontrol döngüleri için kullanılırlar, ısıtılır ısıtılır, ancak ısı-stabilize flaş tasarımlarıHARAT:0)
ADC Subsystems için ısı yönetimi stratejileri
Materyal ve mimari seçimler, belirli işletim aralığında ADC kavşak ısısını tutmak için etkili bir termal yönetim tarafından tamamlanmalıdır.
Pasif Termal Yönetim Teknikleri
Orta derecede yüksek sıcaklıklar (125°C'ye kadar), pasif teknikler genellikle yeterli.Ücretsiz:0) ADC paketinin altındaki yeraltı ısıtıcı yapıştırıcıları veya klipleri kullanarak, ısı transfer alanı ile kıyaslanma ısısını azaltın.
Aktif Soğutma Yaklaşımları
Ortam sıcaklıkları 150 °C'yi aştığında veya birden çok yüksek güç ADC'ler ortaktır, aktif soğutma gereklidir.]Üyetim ısıtılır[Döneticileri ile birlikte ısıtılır[Döneticileri 1 ), fanlar, yüksek çözünürlükte, elektrik santralleri izleme sistemleri için daha etkili ve güvenilir soğutma sağlar.
PCB Layout Termal Üniformalık için dikkate alınır
PCB'de bile ısıtma, yüksek güçten gelen bileşenlere mekanik stres getiren ısıtıcılar ve ADC kanalları arasında boşluğa neden olur. Her kanaldaki simetri, kanal ısıtıcı ısıtıcı sıcaklık kontrolleri boyunca eşit ısıtılır. - Yüksek performanslı devrelerden uzak durgunlar [siyonöratörler, sürücüler) ısıtılır.
Termal Drift için Kalibrasyon ve Eşleştirme Teknikleri
En iyi malzemeler ve termal yönetim ile bile, bazı sıcaklık kaynaklı hata kalır. Kalibrasyon ve tazminat teknikleri doğruyu geri alır ve operasyonel sıcaklık aralığını genişletir.
Bak-Up Table-Based Düzeltme
ADC'nin dengelemesini karakterize etmek, kazanım ve üretim testlerinde ve bu katları bir on-çip veya dış olmayan hafızada tutmaktır. Operasyon sırasında ADC'nin dengesinde yer alan sıcaklık sensörü (DDDDDD) sürekli düzeltmeyi okur ve düzeltme motoru, görünüm tablosundan uygun kalibrasyon katlarını gerektirir.
Gerçek Zaman Dijital Kalibrasyon Referans Girişleri Kullanıyor
Dinamik termal ortamlarda daha yüksek doğruluk için, gerçek zamanlı kalibrasyon standartlarını ADC'nin geri dönüşüm döngüsü sırasında ADC girişi yolunda bilinen referans sinyalleri sunar. Düşük sıcaklık kayması ile hassas bir gerilim referansı (örneğin, gömülü Zener veya chopper-stabilized topoloji) kullanılarak, enjeksiyon sonrası yapılan değişikliklerle ilgili sayısal geri dönüş önlemleri verir.ADC'nin yanıtını verir.
Chopper Stabilizasyon ve Autozero Teknikleri
Analog devre seviyesinde, [[DÜS:0)chopper stabilizasyon) ve [[Dönetici:2)Exzeroing), belirli bir aşamada düşük frekanslı gürültüyü ve dengelemeyi azaltır ve ADC sinyal zincirindeki yükselteçleri azaltır. Chopper stabilizasyon modülleri, amplifatörler ve daha yüksek frekanslara kadar dengeleyiciler ve filtrelenebilirler, sıcaklık değişikliklerinden kaynaklanan 100-düşük teknikler.
Yüksek Çağature ADCs için Test ve Geçerlilik Protokolleri
Yüksek sıcaklık ortamlarda ADC performansını doğrulamak, standart veri sayfası karakterizasyonunun oda sıcaklığında ötesine geçen test protokolleri gerektirir.
JEDEC ve AEC-Q100 Yüksek Çağalık Derecesi için Standartlar
[FONT=0]JEDEC JESD22-A119 [DÜT:1] yüksek sıcaklık depolama ömrü ve [[DÜ:2)JEDEC JESD22-A104[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜSÜ] için temelsel yöntemler, yüksek çözünürlükte endüstriyel bileşenler için, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte (Grade 1) ve +175°C'ye kadar (Grade) göre yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan ve yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan bir şekilde yapılır.
Termal Bisiklet ve Güç Bisiklet Testleri
Statik yüksek sıcaklık depolamanın ötesinde, 03.D.D. bisiklet[Dönetici:0) Sıcak ve soğuk uçlar arasında (örneğin, -40C'a +175°C) paketi ve bağlantı yapılarına karşı, CTE yanlış eşleştirme hataları ortaya koyar, yüksek ısıtmalı endüstriyel sistemlerden yüksek oranda ısıtılabilirlik için CUM'un ısıtılması gerekir.
In-Sistem Performansı İzleme
Derece sırasında, CUMH:0)key ADC parametreleri[DNL, INL, dengeleme hatası, hata kazanır, SNR ve THD) işletim aralığındaki birden fazla sıcaklık puanında ölçülmelidir. Ölçme sistemi, iç stresin azaltılması sırasında sadece test edilen hız geçişi ile birlikte tasarlanmalıdır.
Gelişen Teknolojiler ve Gelecek Yollar
Aşırı ortamlarda ADC'ler için talep, endüstriyel otomasyonların coğrafi olarak sert bölgelere ve daha derin alt yüzeylere yayılmasıyla büyümeye devam ediyor.
Wide Bandgap ADC Prototipler
Araştırma laboratuvarları, düşük megahertz aralığındaki 12 bit ve örnekleme oranlarıyla, SiC MOSFET ve JFET'leri analog sinyal yolunda kullanan, SiC de Schottky diyots ile birlikte, özellikle de ticari erişilebilirlik sınırlıyken, birkaç büyük üretici SiC entegrasyonuna yatırım yapıyor.
Makine Öğrenme-Assisted Kalibrasyon
Makine öğrenme algoritmalarına uygulanır:0, ısı kaynaklı ADC hataları geleneksel LUT veya linepolasyon yöntemlerinden daha doğru şekilde uygulanır. Birden fazla sıcaklık döngüsünden elde edilen bir sinir ağı, orta sınıf ADC’lerin daha yüksek sıcaklık bölgelerine yönelik yararlı çözümü genişletilebilir.
Yüksek Çağature Microdeler ve Transceivers ile entegrasyon
Geleceğin yüksek sıcaklık sistemleri ADC, dijital kalibrasyonu ve iletişim transceivers'i tek bir ölü veya çok fazla çipli bir CV'de kullanarak algılamayı sağlayacaktır:0)SOI veya SiC teknolojisi). Bu entegrasyon, yüksek sıcaklıklarda başarısız olan bağlantı sayısını azaltır, daha düşük parasitik etkiler ve ısıtılmış bir yönetime 16-bit SAR ADC, bir sıcaklık sensörü, dijital kalibrasyon motorudur.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Endüstriyel otomasyondaki yüksek sıcaklık ortamları için ADC'ler tasarlamak, malzeme bilimi, devre mimarisi, termal mühendislik ve gelişmiş kalibrasyon teknikleri ile ilgili temelleri gerektirir - geleneksel CMOS'un dikkatsiz, SOI for mid-range sağlamlığı veya geniş bantgap malzemeleri aşırı koşullar için gerekli olması - pasif ve aktif termal yönetim gibi temelleri kurmak, gerçek zamanlı dijital kalibrasyon teknikleri.
Endüstriyel süreçler daha yüksek efficilere ve daha derin otomasyonlara sert ortamlarda yol açıyor gibi, ADC'lerin üzerindeki yüksek sıcaklıklarda güvenilir bir şekilde çalışan talep, bu tasarım dikkate değerleri yalnızca yüksek lisansa sahip mühendislerdir (Döneticileri için 1 ) ve daha önce hayatta kalamayan endüstriyel kontrol sistemleri için uygulama notları inceler.[Dönemli sistemlerde yüksek sıcaklık kontrol sistemleri için)