日本語参考資料最新版英語技術記事はこちら技術記事 MS-2707 . です。理想的には制御電子機器をアクチュエータのすぐ近くに厳しい環境の克服—高温アプリケーション向けの低消費電力、高精度、高温の部品配置する必要があります。この場合も、このアクチュエータにより高温の周囲環境が発生します。飛行機のジェト・エンジンと同様に、制御システムと計装機器は発電所で使用される重工業ガス・タービンでも必要とされます。著者: アナログ・デバイセズアプリケーション・エンジニア Jeff Watson アナログ・デバイセズアプリケーション・エンジニア Maithil Pachchigar 高温定格の IC 過去の高温電子機器の設計では、高温 IC が存在しなかったため定格仕様を超えて部品を使う必要がありました。標準温度 IC によっては仕様より上で機能が制限されているものがあり、それは設計者にとってつらい危険な仕事であり、信頼性または性能はじめにの保証はありません。例えば、エンジニアは対象となるデバイ厳しい環境を考えると、地上で最も困難なアプリケーションのスを特定し、完全にテストし、温度性能をキャラクタライズし、 1 つはダウンホール・ドリルによる掘削作業です。石油サービ長時間デバイスの信頼性を評価する必要があります。デバイスス会社は、極めて高い圧力、衝撃、振動に耐えると同時にバッの性能と寿命は大幅に低下することがあり、製造ロットごとにテリ寿命が長くかつ小型であることが要求される高精度装置を大きく変化することがありました。この作業は、、困難であり、設計する技術の限界に挑戦していますが、この環境で使用され高価で、さらに時間を要するプロセスであるため、設計者は回る電子機器の最大の困難は、恐らく極めて高い温度であると考避することを望みます。さらに、目標設計温度は 175°C 以上をえられます。これらの高温は深さの関数です。平均地下増温率目指しているため、最新のパッケージ技術は短時間の間でも高は約 25°C/km ですが、場所によってこれより高いところもありい信頼性を可能にする必要があります。ます。世界のエネルギー需要の増加により、これまで可能と思幸運にも、近年の進歩により高温定格 IC が提供されるようになわれていなかった高温の井戸を掘削し開発する動機が存在するりました。アナログ・デバイセズ高温ポートフォリオの製品でようになりました。残念なことに、この環境で電子機器を冷却は、特別な製造プロセス技術、回路設計、パッケージを採用し、するというオプションはありません。このため、業界は 200°C 高温で信頼度の高い性能を可能にするため広範囲なキャラクタを超えても動作できる信頼度の高い高精度計装機器を要求してライゼーション、認定、量産テスト・プログラムを行い、デーいます。実際、信頼性の重要性は、もし不具合が発生すると対タシート仕様を保証しています。処に高いコストがかかることで強調されています。地下数マイルで動作するドリル・ストリング内の電子機器を回収して交換高温シグナル・チェーンするには 1 日以上を要します—複雑な海底油井掘削機の運用コ石油探査から航空機や重工業までの、変化し続けるエンド・アストは 1 日あたり$500k を超えます。プリケーション向けの高温電子機器を紹介しましたが、これら石油とガスの調査の他に、高温電子機器の他のアプリケーショのアプリケーションのシグナル・チェーンには幾つかの共通のンも登場しています。航空業界では、「さらに電子化された飛条件があります。これらのシステムの多くでは、複数のセンサ行機」に向かおうとする動きが強くなっています。この動きをーからの高精度データ・アクイジション、または高いスループ促進する 1 つの理由は、従来の集中型エンジン・コントローラット・レートが必要です。さらに、これらの多くのアプリケーを分散型制御システムで置き換えることを目指していることでションは、バッテリで動作するため、または電子機器の自己発す。この分散型制御システムではエンジン制御をエンジンの近熱で温度上昇に耐えられないため、厳しい消費電力条件を持っくに配置し、配線を大幅に簡素化して飛行機の重量を数百ポンています。このため、センサー、高精度アナログ部品、高スルド削減します。この動きを促進するもう 1 つの理由は、油圧シープット ADC で構成される低消費電力のデータ・アクイジシステムをパワー・エレクトロニクスで置き換えて、電子制御にョン・シグナル・チェーンが必要となります。より信頼性を向上させ、メンテナンス・コストを削減すること－ 1/4 － MS-2707 技術記事現在高温定格 IC が市販されていますが、今日の回路設計の選択 V+ ADR225 肢にはまだ制約があります。特に、低消費電力、100 kSPS より V+ REF 2.5V 10nF AD8634 10nF 10µF 2.5V 100nF V– 高いサンプル・レート、200°C を超える動作定格の高精度 ADC V+ 1.8V TO 5V 100nF 20Ω は市販されていません。これが、広帯域信号を取得し処理する 0 TO VREF REF AD8634 場合またはチャンネルをマルチプレクスする場合、回路設計者 VDD VIO SDI IN+ 2.7nF V– SCK 3- OR 4-WIRE INTERFACE AD7981 SDO にとって苦痛になっています。このニーズを満たすため、ADI IN– GND CNV は最近 AD7981 ADC をリリースしました。このデバイスは、最大 600 kSPS のサンプル・レート、 16 ビットの分解能、低消費図 1. AD7981 アプリケーション・シグナル・チェーン電力で、かつ非常に小さいフット・プリントを持っています。 175°C 定格の 10 ピン MSOP パッケージ、および 210°C 定格のセ AD7981 は、優れた AC 性能と DC 性能、±0.7 LSB の INL、–102 ラミック・フラットパックを提供中で、チップ・バージョンも dB の THD、91 dB の SNR を持ち、175°C の高温でも高精度で広供給予定です。ケース・スタディとして、ブレークスルー性能いダイナミックレンジを実現しています。 AD7981 の INL (typ) を可能にし、極めて高い温度で高信頼性を可能にしたこの ADC 対コード・プロットを図 2 に示します。 1.0 の機能詳細を調べます。 25°C 175°C 0.8 0.6 AD7981 は、逐次比較型アーキテクチャ (SAR)を採用し、600 0.4 kSPS の最大サンプリング・レートを持つ 16 ビット、低消費電 0.2 INL (LSB) AD7981 高温 ADC 力、単電源動作の ADC です。工業用システムと計装用システ 0 ムの量産向けに設計された ADI の実績ある SAR コアを採用し –0.2 ています。このアーキテクチャは、ADI 独自の電荷再分配容量 –0.4 DAC 技術を採用しています。高温での優れた性能には、CMOS –0.6 製造プロセスでのこれらのコンデンサの温度に対する優れたマ –0.8 ッチングとトラッキングが寄与しています。さらに、アクイジ –1.0 1 6901 13801 20701 27601 34501 41401 48301 55201 62101 ション回路を最適化して、高温での精度を改善しています。 CODE 図 1 に、AD7981 の代表的なアプリケーション・シグナル・チ図 2. AD7981 非直線性誤差の温度特性ェーンを示します。ここでは、高温認定されたレール to レール AD7981 の様々な温度での広い入力周波数範囲に対する信号対出力、高精度、低消費電力、デュアル・アンプ AD8634 を使っノイズおよび歪み (SINAD) 性能を図 3 に示します。て AD7981 入力を駆動し、さらに高温認定、低温度ドリフトの 100 ADR225 2.5 V リファレンス電圧と組み合わせてリファレンス・バッファとしても使っています。AD7981 は、アナログおよび –55°C +25°C +175°C 95 デジタル・コア電源 (VDD)とデジタル入力/出力インターフェー SINAD (dB) ス電源 (VIO)の 2 つの電源を必要とします。この VIO は、1.8 V ～5 V のロジックとのインターフェースに使います。VIO ピンと VDD ピンを接続して電源ピン数を減らすこともできます。 90 85 80 75 1k 10k 100k INPUT FREQUENCY (Hz) 図 3. 様々な温度での SINAD 周波数特性－ 2/4 － 1M MS-2707 技術記事図 4 に示すように AD7981 の消費電力 (typ) は 600 kSPS のフ信頼度の高いパッケージに対しては多くの考慮事項がありますル・スループットで約 4 mW に、10 kSPS で 70 µW に、それぞが、高温での主要な故障ポイントの 1 つはワイヤー・ボンディれなっているように、スループット・レートに比例して消費電ングです。この故障は業界で広く採用されているプラスチッ力を調整することにより、厳しい環境でのバッテリ寿命を最大ク・パッケージで特に問題になり、ここでは金のボンディン化することができます。 AD7981 は、消費電力を節約するため、グ・ワイヤーとアルミニウム・ボンディング・パッドが標準と変換と変換の間に自動的にパワーダウンします。このため、こなっていました。温度が上がると、AuAl 金属間化合物の成長がのデバイスはサンプリング・レートが数 Hz と低いアプリケー加速されます。これらの金属間化合物は脆弱なボンディングやションに適し、さらにバッテリ駆動の携帯型システムで非常にボイディングのようなボンディング故障に関係します。このボ小さい消費電力を可能にします。イディングは図 5 に示すように数百時間と短い時間で急速に発生します。これらの故障を避けるため、ADI ではオーバー・パ 4.0 VDD = 2.5V, VREF = 5V, VIO = 3V ッド・メタライゼーション (OPM) プロセスを採用して、金のボ POWER DISSIPATION (mW) 3.5 ンディング・ワイヤーを接続する金のボンディング・パッド表 3.0 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 2.5 が発生しないため、図 6 に示すように、当社の 195°C での 6000 2.0 時間ソークによる認定テストで高い信頼性が確認されました。 TOTAL POWER ADI は 195°C で信頼度の高いボンディングを示しましたが、プ 1.5 VDD ONLY ラスチック・パッケージは、成形材料のガラス転移温度に起因 1.0 して 175°C までの動作定格になっています。 0 0 100000 200000 300000 400000 500000 THROUGHPUT RATE (SPS) 600000 12479-030 0.5 図 4. AD7981 スループット・レート対消費電力 AD7981 は、SPI やその他のデジタル・ホストと互換性を持つ柔軟なシリアル・デジタル・インターフェースを提供します。 I/O 数が最小のシンプルな 3 線式モード、またはデイジーチェー図 5. Al パッド上の Au ボール・ボンディングン・リードバックと同時サンプリングのオプションを可能にす 195°C で 500 時間後る 4 線式モードに設定することができます。マルチチャンネル・データ・アクイジション・システムの場合、AD7981 はトラック・アンド・ホールド回路を内蔵し、かつ SAR アーキテクチャではパイプライン遅延または遅延が発生しないため、 AD7981 をマルチプレクサと組み合わせて容易に使用することができます。高温パッケージ図 6. OPM 上の Au ボール・ボンディング 195°C で 6000 時間後高温で動作する高性能シリコンを持つことができても、この戦いの半分しか勝ったと言えません。厳しい高温環境で耐えなけアプリケーション例ればならない集積回路には強固なパッケージが重要です。パッ高性能、強固さ、低消費電力、柔軟な構成のような AD7981 のケージは環境からの十分な保護機能と PCB に対する信頼度の高主要機能の前述の組み合わせにより、石油やガス掘削のダウンい接続を提供し、システムに合わせて十分小型である必要があホール・ドリル、工業用、計装用、航空機用のアプリケーショります。－ 3/4 － MS-2707 技術記事ンのような厳しい高温環境での高精度計測アプリケーションにまとめ対するクリティカルな性能基準に対処します。非常に高い温度のために、厳しい環境システムの中で最も困難 AD7981 は、センサーからプロセッサまでの高精度アナログ信な問題の 1 つが発生しますが、AD7981 のような新しい高温定号処理を可能にする高温製品の、成長を続けるポートフォリオ格 IC により、高精度、低消費電力、高信頼の在庫品でこの問題のメンバーです。AD7981 は、シグナル・コンディショニングを克服できるようになりました。向けの ADR225 2.5 V 出力リファレンス電圧と AD8634/AD8229 アンプにより補完されます。 ADXL206 加速度センサーや ADXRS645 ジャイロセンサーのような高温定格の MEMS 慣性センサーは、システムの向きと動きの情報を提供します。これらの部品を使用するダウンホール・ドリル計装の簡略化したシグナル・チェーンを図 7 に示します。このアプリケーションでは、様々なダウンホール・センサーからの信号をサンプルして周囲の地質構成情報を集めます。これらのセンサーは、電極、コイル、圧電、またはその他のトラン図 7. ダウンホール・ドリル計装の簡略化したシグナル・チェーンスデューサの形式をとることができます。加速度センサー、磁気センサー、ジャイロセンサーは、ドリル・ストリングの傾斜、方位角、回転レート、衝撃、振動の情報を提供します。これらのセンサーの幾つかは非常に狭い帯域幅を持ち、他のものはオリソースーディオかそれ以上の周波数範囲の情報を持つことがあります。この資料を AD7981 は、電源効率を維持しながら可変帯域幅条件でセンサーからのデータをサンプルすることができます。小型のフットで共有してください。プリントを持つため、ダウンホール・ツールでボード幅が非常に狭いなど、レイアウトでスペースが制限されていても複数のチャンネルを含むことができます。さらに、柔軟なデジタル・インターフェースにより、厳しいアプリケーションで同時サンプリングが可能になり、それと同時にピン数が少ないシステムでシンプルなデイジーチェーン読出しが可能になります。 ©2015 Analog Devices, Inc. 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