低漏電多路復(fù)用器在高阻抗PLC系統(tǒng)中是否重要？

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_關(guān)打開和斷開時(shí)都會導(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)開關(guān)合上或斷開時(shí)流過源極管腳(I_S)或漏極管腳(I_D)的漏電流。圖2所示為模擬開關(guān)的簡化模型。

圖2：開關(guān)打開時(shí)的簡化小信號模型

如圖2所示，輸出電壓V_OUT通常連接到運(yùn)算放大器的同相端，該同相端具有高阻抗。所以為了簡單起見，工程師忽略了負(fù)載電阻R_L的影響。R_O是開關(guān)的導(dǎo)通電阻。

當(dāng)開關(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)開關(guān)斷開時(shí)，漏電流流過各自的端子（漏極或源極），并在輸出端引入偏移誤差。

圖3：開關(guān)斷開時(shí)的簡化小信號模型 

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：光傳感器的簡化模型

如圖4所示，分流電阻R_sh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中沒有顯示。

漏電流對系統(tǒng)精度的影響

簡單來說，假定傳感器阻抗R_sh為1MΩ。對于以5V為參考的24位系統(tǒng)，方程式2計(jì)算對應(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。對于每個(gè)多路復(fù)用器，漏電流流過輸入阻抗，導(dǎo)致偏移誤差，從而影響整個(gè)系統(tǒng)精度。表1簡要地介紹了多路復(fù)用器是如何影響測量精度的。

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。由于輸入級而引入的任何附加偏移都會限制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對測量精度產(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，因此這不僅會導(dǎo)致偏移誤差，還會導(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)用器無需校準(zhǔn)偏移誤差，簡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, 請參見MUX36S08數(shù)據(jù)表。)

圖5：MUX36S08漏電流I_D(ON)隨溫度的變化

總結(jié)來說，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、軌對軌運(yùn)行和低功耗。