【導(dǎo)讀】一位任職于領(lǐng)先的可編程邏輯控制器（PLC）制造商的年輕工程師滿懷熱情，正在設(shè)計(jì)一個(gè)可接受來(lái)自高阻抗傳感器輸入的多通道24位模擬輸入模塊。他選擇了德州儀器的24位Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADS125H02）、5-V基準(zhǔn)電壓和德州儀器的精密放大器（OPA192）。
當(dāng)選擇多路復(fù)用器時(shí)，他有三種選項(xiàng)：一個(gè)是德州儀器的MUX36D04和兩個(gè)來(lái)自其他供應(yīng)商的多路復(fù)用器(MUX2和MUX3)。除了輸入漏電流規(guī)格分別為1 pA、100pA和1 nA（25°C時(shí)的典型值）外，每一個(gè)多路復(fù)用器規(guī)格都很相似。
起初，這位工程師認(rèn)為這三個(gè)多路復(fù)用器看起來(lái)一模一樣，而且認(rèn)為這三個(gè)多路復(fù)用器中的輸入漏電流低到可以忽略不計(jì)。他認(rèn)為可以選擇這三者之中的任何一個(gè)，并從他的系統(tǒng)中獲得類似的性能。
在此博文中，你會(huì)發(fā)現(xiàn)他也許忽略了多路復(fù)用器的漏電流。
圖1所示為帶有多個(gè)傳感器接口的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)框圖。
圖1：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中輸入信號(hào)調(diào)理單元的框圖
漏電流：默默地抵消偏移誤差
漏電流是一個(gè)重要參數(shù)，因?yàn)樗陂_(kāi)關(guān)打開(kāi)和斷開(kāi)時(shí)都會(huì)導(dǎo)致直流誤差。多路復(fù)用器數(shù)據(jù)表有許多與漏電流相關(guān)的規(guī)格，包括當(dāng)開(kāi)關(guān)合上或斷開(kāi)時(shí)流過(guò)源極管腳(IS)或漏極管腳(ID)的漏電流。圖2所示為模擬開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)化模型。
圖2：開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)的簡(jiǎn)化小信號(hào)模型
如圖2所示，輸出電壓VOUT通常連接到運(yùn)算放大器的同相端，該同相端具有高阻抗。所以為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，工程師忽略了負(fù)載電阻RL的影響。RO是開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻。
當(dāng)開(kāi)關(guān)合上時(shí)，方程式1計(jì)算由漏電流引入的電壓誤差：
當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，漏電流流過(guò)各自的端子（漏極或源極），并在輸出端引入偏移誤差。
圖3：開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的簡(jiǎn)化小信號(hào)模型
漏電流也隨溫度的升高而增大。所有數(shù)據(jù)表應(yīng)包括漏電流與溫度的典型曲線。雖然漏電流的量很小，但在處理高輸入阻抗傳感器時(shí)，它是一個(gè)非常重要的參數(shù)。所以讓我們來(lái)看看這個(gè)參數(shù)是如何影響系統(tǒng)性能的。
漏電流的微微安或毫微安其實(shí)是有差別的
PLC系統(tǒng)中的模擬輸入模塊經(jīng)常切換pH、光學(xué)、濕度、加速度計(jì)和化學(xué)傳感器等高輸入阻抗傳感器。所有這些傳感器都具有輸入阻抗，從幾百千歐姆到幾千兆歐姆不等。以一個(gè)典型的光傳感器為例，如圖4所示。
圖4：光傳感器的簡(jiǎn)化模型
如圖4所示，分流電阻Rsh的大小從幾百千歐姆到幾千兆歐姆不等，且與溫度成反比關(guān)系。由于并聯(lián)電容的大小為幾微微法拉，所以它不重要，因此圖4中沒(méi)有顯示。
漏電流對(duì)系統(tǒng)精度的影響
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，假定傳感器阻抗Rsh為1MΩ。對(duì)于以5V為參考的24位系統(tǒng)，方程式2計(jì)算對(duì)應(yīng)1個(gè)最低有效位（LSB）的最小分辨率或電壓，如下所示：
請(qǐng)記住，工程師有三個(gè)多路復(fù)用器可以選擇，在表1中標(biāo)記為MUX36D04、MUX2和MUX3。還要記住（25°C/85°C）時(shí)的漏電流是唯一的區(qū)別因素。對(duì)于每個(gè)多路復(fù)用器，漏電流流過(guò)輸入阻抗，導(dǎo)致偏移誤差，從而影響整個(gè)系統(tǒng)精度。表1簡(jiǎn)要地介紹了多路復(fù)用器是如何影響測(cè)量精度的。
表1：漏電流及其與LSB的偏移誤差的關(guān)系
大多數(shù)傳感器的輸出電壓都很低。由于輸入級(jí)而引入的任何附加偏移都會(huì)限制ADS125H02所能看到的最大滿量程電壓范圍。從表1可以看出，對(duì)于高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即使幾百微微安的輸入泄漏也會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生顯著影響。漏電流隨溫度的變化而變化，表1顯示了25°C和85°C時(shí)的偏移誤差變化。光傳感器阻抗也隨光強(qiáng)度和環(huán)境溫度的變化而變化，因此這不僅會(huì)導(dǎo)致偏移誤差，還會(huì)導(dǎo)致線性誤差。
所以工程師不能忽略泄漏電流，因此需要選擇一個(gè)低泄漏多路復(fù)用器。
設(shè)計(jì)可接受高阻抗輸入的多通道模擬輸入模塊會(huì)有一系列的挑戰(zhàn)。德州儀器的MUX36S08和MUX36D04超低泄漏模擬多路復(fù)用器無(wú)需校準(zhǔn)偏移誤差，簡(jiǎn)化了模擬輸入模塊的設(shè)計(jì)，同時(shí)也大大減少了偏移和線性誤差。MUX36S08和MUX36D04在25°C時(shí)具有1pA的超低漏電流。圖5顯示了MUX36S08的漏電流隨溫度的變化。(有關(guān)-40°C到125°C的詳細(xì)曲線圖, 請(qǐng)參見(jiàn)MUX36S08數(shù)據(jù)表。)
圖5：MUX36S08漏電流ID(ON)隨溫度的變化
總結(jié)來(lái)說(shuō)，工程師不能忽略漏電流，所以他必須選擇德州儀器的低泄漏多路復(fù)用器。MUX36S08和MUX36D04選項(xiàng)滿足低泄漏的需要，還提供低電容、低電荷注入、軌對(duì)軌運(yùn)行和低功耗。
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