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[导读]从事快速切换数据采集系统的设计人员经常抱怨模拟输入通道上出现随机尖峰、波动、过度噪声或其他类型的意外电压。这些问题的常见原因是阻抗不匹配。当驱动多路复用系统的源阻抗高于控制系统的输入阻抗时,我们可能会看到一个扫描通道的电压反映在另一个扫描通道上。

1.前言

从事快速切换数据采集系统的设计人员经常抱怨模拟输入通道上出现随机尖峰、波动、过度噪声或其他类型的意外电压。这些问题的常见原因是阻抗不匹配。当驱动多路复用系统的源阻抗高于控制系统的输入阻抗时,我们可能会看到一个扫描通道的电压反映在另一个扫描通道上。

如果源阻抗和输入阻抗匹配但意外电压仍然存在怎么办?

无论是工业控制系统还是任何快速切换的数据采集系统,切换通道时都会有不止一个因素导致输出电压误差。但是,就本博客而言,我们将特别关注一个原因,即多路复用器的电荷注入。之所以称为电荷注入,是因为设备内的电荷会重新分配,并且可以在设备打开和关闭时推送到输出。

在工业控制系统中,多路复用器从一个通道切换到下一个通道会在每个通道上引入少量电荷。开放通道中缺少用于该电荷耗散的路径会影响通道电压,从而导致输出电压误差。在高速扫描模拟输入通道时,我们可能会看到不正确的读数。

2.如何改善

让我们探讨两种情况,以便更好地了解电荷注入及其如何影响多路复用系统中的输出电压。

在第一种情况下,大负载电容 (C L ) 限制了系统的带宽。当多路复用器的选择引脚 (SEL) 从低电平切换到高电平(或关闭到开启,如图 1 所示)时,MOSFET 的栅极会受到阶跃电压的影响。该阶跃电压通过寄生栅漏电容 (C GD )将电荷注入开关的输出。输出电压的变化取决于注入的电荷量 (Q C ) 和负载电容 (C L )。

1:开关电容结构


根据等式 1,我们可以看到较大的 C L将使多路复用器输出端的电荷注入影响最小化:

(∆V OUT = Q c / C L ) (1)

然而,这将限制输入信号的带宽,因为多路复用器的 3-dB 截止频率与 C L成反比。

在第二种情况下,我们看到在切换到下一个通道之前,在信号稳定后对开关输出进行采样时会发生什么。不幸的是,在需要快速采样频率的工业控制系统中,这不是一个选项,因此最好的选择是选择电荷注入非常低的多路复用器。

如图 2 所示,如果注入误差的内部寄生电容 (C DG ) 较小,则可以将电荷注入的影响降至最低。通常,具有较低导通电容的多路复用器具有较低的电荷注入。

2:TMUX6104 电荷注入测试设置

为了获得更好的精度,不仅电荷注入应该低,而且还应该在系统的输入电压范围内保持平坦。

由于电荷注入是一个随电源电压变化的多路复用器参数,不同的电源电压可能会导致输出电压读数出现非线性变化,从而导致操作错误。为了使系统更加稳健,设计工程师应该选择一种不仅具有非常低的电荷注入而且在应用的输入电压范围内保持平坦的多路复用器。

所述 TMUX6104精度模拟多路复用器使用该降低了源极-漏极电荷注入到低至-0.35 PC在V特殊电荷注入抵消电路SS在全信号范围= 0V,并且-0.41 PC。

3 是 TMUX6104 在 ±15 V 电源电压范围内的电荷注入图。如我们所见,与竞争器件相比,不仅电荷注入低,而且整个器件的电荷注入性能变化输入电压范围极小,非常适合快速开关的工业控制系统。并且多路复用器的CMOS FET开关的栅-源极电容和栅-漏极电容,以及源极和负载的RC时间常数都会影响稳定时间。设计工程师必须考虑这么一个事实:当负载和源极的电容增加时,源极和负载端的开关瞬态振幅将降低。

3:TMUX6104 电荷注入与源电压的关系

3.结论

电荷注入是对由于开关从导通状态变为关断状态时的再分配电压而产生的不需要的电荷的测量。它表现为通道切换时在开关输出端引入的电压变化。为此,建议设计工程师为快速开关数据采集系统选择电荷注入极低的多路复用器



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