高温、抗振动、 ±2000°/s陀螺仪 ADXRS645 产品特性 概述 创新型陶瓷垂直贴装封装，适合于俯仰或滚动速率响应 ADXRS645是一款高性能角速率传感器，具有出色的抗振 动能力，可用于高温环境中。ADXRS645采用ADI公司取得 专利的大规模BiMOS表面微加工工艺制造，多年实际应用 证明性能稳定可靠。先进的差分四传感器设计改善了加速 和振动抑制。 宽工作温度范围：−40°C至+175°C 长寿命：保证1000小时(TA = 175°C时) 可在宽频率范围内提供高振动抑制特性 抗冲击能力：10,000 g 输出与基准电源成比率 输出信号RATEOUT是电压值，与围绕封装盖法线轴转动 的角速率成比例。最小测量范围为±2000°/s，加入单个外 部电阻之后可扩展至±5000°/s。输出与所提供的基准电源 成比率。芯片工作还需要其它几个外部电容。 5 V单电源供电 根据数字命令执行自测 温度传感器输出 应用 该器件提供温度输出，用于补偿技术。两路数字自测输入 通过机电方式激励传感器，以测试传感器和信号调理电路 是否正常工作。ADXRS645提供8 mm x 9 mm x 3 mm、15引 脚钎焊引脚三列直插式封装。 地质勘探中的井下测量 极高温度工业应用 恶劣的机械环境 功能框图 5V (ADC REF) 100nF 5V ST2 ST1 TEMP AVCC 100nF 25kΩ @ 25°C SELF-TEST VRATIO ADXRS645 25kΩ AGND DEMOD MECHANICAL SENSOR DRIVE AMP 5V AC AMP VGA 180kΩ ±1% VDD CHARGE PUMP AND VOLTAGE REGULATOR 100nF PGND SUMJ RATEOUT 100nF 22nF 22nF COUT 11958-001 CP1 CP2 CP3 CP4 CP5 图1. Rev. A Document Feedback Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, no responsibility is assumed by Analog Devices for its use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties that may result from its use. Specifications subject to change without notice. No license is granted by implication or otherwise under any patent or patent rights of Analog Devices. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 ©2014 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Technical Support www.analog.com ADI中文版数据手册是英文版数据手册的译文，敬请谅解翻译中可能存在的语言组织或翻译错误，ADI不对翻译中存在的差异或由此产生的错误负责。如需确认任何词语的准确性，请参考ADI提供 的最新英文版数据手册。 ADXRS645 目录 产品特性 ......................................................................................... 1 应用.................................................................................................. 1 概述.................................................................................................. 1 功能框图 ......................................................................................... 1 修订历史 ......................................................................................... 2 技术规格 ......................................................................................... 3 绝对最大额定值............................................................................ 4 速率敏感轴 ............................................................................... 4 ESD警告..................................................................................... 4 引脚配置和功能描述 ................................................................... 5 典型性能参数 ................................................................................ 6 工作原理 ......................................................................................... 9 设置带宽.................................................................................... 9 温度输出和校准....................................................................... 9 电源比率.................................................................................... 9 范围扩展.................................................................................... 9 自测功能.................................................................................... 9 连续自测.................................................................................... 9 外形尺寸 ....................................................................................... 10 订购指南.................................................................................. 10 修订历史 2014年9月 — 修订版0至修订版A 更改“产品特性”部分................................................................... 1 表1中增加可用寿命参数............................................................ 3 2014年7月—修订版0：初始版 修订版0 | 第2页，共10页 Rev. A | Page 2 of 10 ADXRS645 技术规格 保证所有最低和最高技术规格。不保证典型技术规格。除非另有说明，TA = 25°C，VS = AVCC = VDD = 5 V，VRATIO = AVCC ，角速 度 = 0°/s，带宽 = 80 Hz (COUT = 0.01 µF)，IOUT = 100 µA。 表1. 参数 灵敏度1 测量范围 2, 3 初始 温度漂移 非线性度 零点1 初始 温度漂移 线性加速度效应 振动校正 噪声性能 速率噪声密度 本底分辨率 频率响应 带宽(±3 dB) 5 传感器谐振频率 自测 1 ST1 RATEOUT 响应 ST2 RATEOUT 响应 ST1至ST2 不匹配 6 逻辑1输入电压 逻辑0输入电压 输入阻抗 温度传感器 1 VTEMP (25°C) 比例系数7 开启时间 8 输出驱动能力 电流驱动 容性负载驱动 电源 工作电压 (V S) 静态电源电流 温度范围 额定性能 寿命 可用寿命 1 2 3 4 5 6 7 8 测试条件/注释 顺时针旋转为正输出 最小值 典型值 ±2000 1 ±5 −35 0.1 TA = 25 °C 未补偿，−40°C至+150°C4 未补偿，150 °C至175 °C 最佳拟合直线 TA = 25 °C 未补偿，−40°C至+150°C4 未补偿，150 °C至175 °C 任意轴 25 g rms，50 Hz至5 kHz 最大值 单位 2.4 TA ≤ 25 °C TA = 25°C，运动中1分钟到1小时 TA = 150°C，运动中1分钟到1小时 2.5 ±50 ±150 0.1 0.0006 °/s mV/°/s % % %FS 2.6 0.25 100 150 无外部滤波器 15.5 ST1引脚从逻辑0变为逻辑1 ST2引脚从逻辑0变为逻辑1 2000 17.5 °/s/√ Hz °/hr °/hr 20 Hz kHz 1.7 100 °/s °/s % V V kΩ −1300 1300 ±2 3.3 至公共端 40 50 负载 = 10 MΩ 25°C，VRATIO = 5 V 通过CP5 = 100 nF上电至最终值的±2 °/s 2.3 2.4 9 50 额定性能 4.75 −40 TA = 175 °C 1000 参数与VRATIO成线性比率关系。 测量范围可能是最大的范围，包括输出摆幅范围、初始失调、灵敏度、失调漂移和灵敏度漂移(5 V电源)。 在RATEOUT和SUMJ引脚之间增加单个120 kΩ电阻，可以把测量范围扩展到差不多±5000°/s。 从+25°C到−40°C或从+25°C到+150°C的最大偏差，典型温度行为参见“典型性能参数”部分。 通过外部电容COUT调整。带宽降至0.01 Hz以下不会进一步改善噪声。 自测不匹配定义为(ST2 + ST1)/((ST2 − ST1)/2)。 比例系数针对25°C至26°C的温度变化，VTEMP与VRATIO成比率关系。 基于特性。 Rev. A | Page 3 of 10 5.00 3.5 V °/s °/s °/s/g °/s/g2 2.5 V mV/°C ms 200 1000 µA pF 5.25 V mA +175 °C 小时 ADXRS645 绝对最大额定值 速率敏感轴 表2. 当ADXRS645绕封装盖的法线轴(即俯视封装盖)顺时针旋转 额定值 10,000 g 10,000 g −0.3 V至+6.6 V AVCC AVCC 不定 −55°C至+175°C −65°C至+185°C 时，可产生正输出电压。 Z-AXIS RATE AXIS + 11958-002 参数 加速度(任意轴，0.5 ms) 未上电 上电 VDD, AVCC VRATIO ST1, ST2 输出短路持续时间(任意引脚接公共端) 工作温度范围 存储温度范围 图2. 顺时针旋转时RATEOUT信号增大 注意，等于或超出上述绝对最大额定值可能会导致产品永 久性损坏。这只是额定最值，并不能以这些条件或者在任 何其它超出本技术规范操作章节中所示规格的条件下，推 ESD警告 断产品能否正常工作。长期在超出最大额定值条件下工作 会影响产品的可靠性。 掉在坚硬表面上可能会引起高于10,000 g的冲击，甚至超过 器件绝对最大额定值。搬运时应小心，避免损坏器件。 Rev. A | Page 4 of 10 ESD(静电放电)敏感器件。 带电器件和电路板可能会在没有察觉的情况下放电。 尽管本产品具有专利或专有保护电路，但在遇到高能 量ESD时，器件可能会损坏。因此，应当采取适当的 ESD防范措施，以避免器件性能下降或功能丧失。 ADXRS645 引脚配置和功能描述 CP5 VDD PGND RATEOUT SUMJ VRATIO 2 A B C D E F 1 A B C D E F CP4 CP1 CP2 AVCC AGND TEMP C CP3 ST2 B ADXRS645 11958-003 ST1 A 3 顶视图 (未按比例) 11958-200 图3. 引脚配置(顶视图) 图4. 引脚配置(三维视图) 表3. 引脚功能描述 引脚编号 A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 E1 E2 F1 F2 引脚名称 CP3 CP5 ST1 CP4 VDD ST2 CP1 PGND 温度 CP2 RATEOUT AVCC SUMJ AGND VRATIO 说明 电荷泵电容(22 nF) 高压滤波器电容(100 nF) 正自测 电荷泵电容(22 nF) 正电荷泵电源 负自测 电荷泵电容(22 nF) 电荷泵电源回路 温度电压输出 电荷泵电容(22 nF) 速率信号输出 正模拟电源 输出放大器求和点 模拟电源回路 比率输出的参考电源 Rev. A | Page 5 of 10 ADXRS645 典型性能参数 2700 2650 40 NULL OUTPUT (mV) 30 20 10 2600 2550 2500 2450 2400 –50 NULL OUTPUT (mV) 11958-104 2600 2585 2570 2555 2540 2525 2510 2495 2480 2465 2450 0 0 50 100 150 200 TEMPERATURE (°C) 11958-107 PERCENTAGE OF POPULATION (%) 50 图8. 整个温度范围内的零点输出 图5. 25 °C时零点输出 1.2 50 1.0 40 SENSITIVITY (mV/°/sec) PERCENTAGE OF POPULATION (%) 45 35 30 25 20 15 10 0.8 0.6 0.4 0.2 SENSITIVITY (mV/°/sec) 50 100 150 200 TEMPERATURE (°C) 图6. 25 °C时的灵敏度 图9. 整个温度范围内的灵敏度 0 35 –200 30 –400 ST1 OUTPUT (°/sec) 25 20 15 10 –600 –800 –1000 –1200 –1400 –1600 5 0 50 100 150 TEMPERATURE (°C) 图7. 25 °C时的ST1输出变化(VRATIO = 5 V) 图10. 整个温度范围内的ST1输出 Rev. A | Page 6 of 10 200 11958-109 –2000 –50 11958-106 ST1 OUTPUT CHANGE (°/sec) –1100 –1150 –1200 –1250 –1300 –1350 –1400 –1450 –1500 –1550 0 –1800 –1600 PERCENTAGE OF POPULATION (%) 0 11958-108 0 –50 11958-105 1.18 1.15 1.12 1.09 1.06 1.03 1.00 0.97 0.94 0.91 0 0.88 5 ADXRS645 2000 1800 35 1600 30 ST2 OUTPUT (°/sec) 25 20 15 10 1400 1200 1000 800 600 400 5 200 0 –50 ST2 OUTPUT CHANGE (°/sec) 11958-110 1700 1650 1600 1550 1500 1450 1400 1350 1300 1250 1200 0 0 图11. 25 °C时的ST2输出变化(VRATIO = 5 V) 100 150 200 图14. 整个温度范围内的ST2输出 10000 45 40 35 ALLAN VARIANCE (°/Hour) PERCENTAGE OF POPULATION (%) 50 TEMPERATURE (°C) 11958-113 PERCENTAGE OF POPULATION (%) 40 30 25 20 15 10 1000 AVERAGE +1σ 100 –1σ 10 SELF-TEST MISMATCH (%) 1 10 100 1000 10000 AVERAGING TIME (Seconds) 图12. 25 °C时的自测不匹配(VRATIO = 5 V) 图15. 25 °C时的艾伦偏差与均值时间的关系 4.0 40 35 3.5 VTEMP OUTPUT (V) 30 25 20 15 10 3.0 2.5 2.0 0 50 100 150 TEMPERATURE (°C) 图13. 25 °C时的VTEMP 输出 图16. 整个温度范围内的VTEMP 输出 Rev. A | Page 7 of 10 200 11958-115 2.58 2.56 1.5 –50 11958-112 VTEMP OUTPUT (V) 2.54 2.52 2.50 2.48 2.46 2.44 2.42 0 2.40 5 2.38 PERCENTAGE OF POPULATION (%) 0.1 11958-114 1 0.01 11958-111 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 –0.5 –1.0 –1.5 0 –2.0 5 ADXRS645 0 20 15 10 5 11958-116 4150 4050 3950 3850 3750 3650 3550 3450 3350 3250 3150 –30 –6 –60 –9 –90 –12 –120 –15 –150 –18 0.1 0 CURRENT CONSUMPTION (mA) –3 –180 10 1 FREQUENCY (kHz) 图19. 典型速率和相位响应与频率的关系 (COUT = 470 pF，串联RC低通滤波器为3.3 kΩ和22 nF) 图17. 25°C时的功耗(VRATIO = 5 V) 1 0.04 0.03 NONLINEARITY (%FS) 0.02 0.1 0.01 0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 1 10 100 1k FREQUENCY (Hz) 10k 图18. 典型噪声频谱密度(COUT = 0.01 µF) 0.06 –2000 –1000 0 RATE (°/sec) 图20. 典型输出非线性 Rev. A | Page 8 of 10 1000 2000 11958-019 0.05 0.001 0.1 11958-117 NOISE SPECTRAL DENSITY (°/sec/√Hz) PHASE (Degrees) 25 0 11958-018 30 RATE RESPONSE (dB) PERCENTAGE OF POPULATION (%) 35 ADXRS645 工作原理 ADXRS645使用谐振器陀螺仪原理工作。两个多晶硅检测结 电源比率 构各含一个扰动框架，通过静电将扰动框架驱动到谐振状 ADXRS645 RATEOUT、ST1、ST2和TEMP信号与VRATIO电压 态以产生必要的速度，从而在旋转期间产生科氏力。在各 成比率关系；也就是说，零点电压、速率灵敏度和温度输 框架的两个外部极限处(与扰动运动正交)是可动指；可动指 出 与 V RATIO 成 比 例 。 因 此 ， 它 与 电 源 比 率 式 模 数 转 换 器 放在固定捡拾器(pickoff)指之间，形成一个容性捡拾结构来 (ADC)配合使用最为简便，可以自动消除微小电源波动所 检测科氏运动。检测到的信号被馈送至一系列增益和解调 引起的误差。非比率式的行为会引起某种通常可忽略不 级，产生电速率信号输出。双传感器设计可抑制外部的重 计的小误差。注意，为了确保满测量范围，V RATIO不得大 力和振动。传感器与信号调理电子元件一起制造，有利于 于AVCC。 保护信号在高噪声环境中的完整性。 范围扩展 静电谐振器的工作电压为15 V。由于大多数应用一般只提供 在RATEOUT和SUMJ引脚之间增加单个120 5 V电压，因此芯片内包括一个电荷泵。如果提供17 V至22 V 降 低 ADXRS645比 例 因 子 ， 把 测 量 范 围 扩 展 到 差 不 多 外部电源，则可以省略CP1至CP4上的两个电容，通过1 kΩ kΩ电阻，可以 ±5000°/s。如果在RATEOUT和SUMJ引脚之间增加外部电 串联电阻将此电源连接到CP5(引脚A2)。当ADXRS645上电 阻，应按比例增加COUT以便保持正确的带宽。例如，若 时，CP5不应接地。虽然不会造成损坏，但在某些情况下， 增加180 kΩ电阻，则COUT应加倍。 如果不先断开ADXRS645的电源，则断开接地后电荷泵可能 无法启动。 自测功能 设置带宽 路如同陀螺仪受到角速率效应一样。它由施加于ST1(引 ADXRS645具有自测功能，可以让各检测结构和相关电子电 外部电容COUT与片内电阻ROUT一起构成一个低通滤波器，用 脚A3)、ST2(引脚B3)或以上二者的标准逻辑高电平启动。 于限制ADXRS645速率响应的带宽。−3 dB频率由ROUT和COUT ST1会让RATEOUT电压产生约−1.3 V变化，ST2会引起相反 设置： 的+1.3 V变化。自测响应遵循封装大气的粘度温度相关性， fOUT = 1/(2 × π × ROUT × COUT) 约为0.25%/°C。 可以精确控制该频率，因为ROUT在制造期间被调整至180 kΩ 同 时 启 动 ST1和 ST2不 会 造 成 损 坏 。 ST1与 ST2匹 配 严 格 ± 1%。在RATEOUT引脚(D2)和SUMJ引脚(E2)之间连接的任 (±1%)，但同时启动二者可能会引起与自测不匹配度成比例 何外部电阻将导致：ROUT=(180 kΩ× REXT)/(180 kΩ × REXT)。 的小视在零点偏置偏移。 一般而言，陀螺仪为18 kHz谐振频率时，可添加另一个滤 波器(硬件或软件)，以衰减解调尖峰引起的高频噪声。推荐 由3.3 kΩ串联电阻和22 nF并联电容(2.2 kHz极点)组成的RC 输出滤波器。 对ST1和ST2引脚施加一个等于VRATIO的电压可以启动ST1和 ST2。施加于ST1和ST2的电压不得大于AVCC。 连续自测 ADXRS645的单芯片集成度使它比任何其它采用大规模制造 温度输出和校准 方法获得的产品具有更高的可靠性。此外，它采用成熟的 通过执行温度校准来提高陀螺仪的整体精度是常见做法。 BiMOS工艺制造，该工艺的可靠性已得到实际验证。作为 ADXRS645有一路电压输出与温度成比例，可以作为这种校 额外的故障检测措施，器件上电时可以执行自测。然而， 准方法的输入。温度传感器结构如图21所示。 某些应用可能必须在速率检测的同时执行连续自测。 25°C时TEMP引脚(C3)的标称电压为2.4 V，VRATIO = 5 V。在 25°C时，温度系数约为~9 mV/°C。虽然TEMP输出的重复度 高，但绝对精度不高。 VRATIO RTEMP 11958-010 RFIXED VTEMP 图21. 温度传感器结构 Rev. A | Page 9 of 10 ADXRS645 外形尺寸 8.20 8.00 7.80 FRONT VIEW 3.30 SIDE VIEW 2.85 2.40 BACK VIEW 5.00 BSC 9.20 9.00 8.80 0.30 0.25 0.20 6.30 6.00 5.70 1.30 BSC 1.48 1.35 1.22 3.00 BSC 2.00 BSC 2.83 2.70 2.57 01-07-2014-A PKG-004255 0.55 0.50 0.45 0.625 BSC TOP VIEW 图22. 15引脚钎焊引脚三列直插式封装[BL_TIP] (DY-15-1) 图示尺寸单位：mm 订购指南 型号1 ADXRS645HDYZ 1 温度范围 −40°C至+175°C 封装描述 15引脚钎焊引脚三列直插式封装[BL_TIP] Z = 符合RoHS标准的器件 ©2014 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. D11958sc-0-9/14(A) Rev. A | Page 10 of 10 封装选项 DY-15-1