多路复用器：5 泄漏电流和电荷注入

大家好，欢迎参加TI 高精度实验室系列的 模拟多路复用器基本知识培训。 在本视频系列的第一部分， 我们讨论了 MUX 的两个重要参数-- 电阻和电容。 本视频将介绍多路复用器的 其他两个性能参数， 即泄漏电流和电荷注入。 本视频系列旨在让您了解多路复用器的 直流性能参数及其对数据 采集系统性能的影响。 本视频系列介绍了如何通过 模拟多路复用器数据表中 列出的参数了解系统性能限制 和错误来源。 在本视频中，我们将讨论电流泄漏和电荷问题， 注入. 特别是，我们将了解到电流泄漏如何 造成高输入阻抗数据采集系统 出现偏移误差。 我们还会讨论电荷注入现象， 看看它在多路复用器开关打开或关闭时 如何引起输出电压误差。 这个演示的主要目的是 重点介绍这些多路复用器参数， 并了解它们如何影响 数据采集系统的性能。 我们在这里要讨论的第一个参数是 泄漏电流。 泄漏电流是一个重要参数， 因为不管开关是开还是关， 这种现象都会造成直流误差。 多路复用器数据表包含很多与泄漏电流 有关的规范，包括流经 源引脚 IS 或漏引脚 ID 的泄漏电流。 当 MUX 开关打开或关闭时， 泄漏电流被指定为流经源引脚 S 和 漏引脚 D 的电流。 当开关关闭时，流经源引脚和 漏引脚的泄漏电流 通常被分别指定为IS 关和 ID 关。 当开关打开时，我们可以估计出 流经源引脚和漏引脚的泄漏电流大致相等。 泄漏电流随温度变化而变化， 多路复用器泄漏电流的 转换。 典型泄漏电流图通常在室温的 几十皮安到高温的 几纳安范围之间。 这张幻灯片显示了当开关打开或关闭时， MUX 泄漏电流流动的 简化模型。 当开关关闭时，IS 关流到输入的 源阻抗，ID 关通过连接到输出的 负载阻抗流到漏引脚。 开关打开时，我们可以大概猜出 流过电源和漏引脚的泄漏电流 是相等的--也就是说IS 开 = ID 开。 开关打开时，泄漏电流在输入端造成的 电压误差由 以下等式表示-- V 误差 = R 开 + R 源 × ID 开。 模拟输入模块和控制系统 经常切换高输入阻抗传感器， 比如 pH、光学、湿度、加速计 和化学传感器。 所有这些传感器都显示出高输入阻抗， 从几百千欧姆到几 千兆欧姆。 对于这样的高输出阻抗设备源， 我们可以忽略泄漏电流造成的 总误差中 MUX对阻抗的影响。 同样，MUX 的V 输出通常 连接到运算放大器的 非倒向端，运算放大器也呈现高阻抗。 为了方便理解，我们忽略掉 负载电阻 RL 的影响。 在这些假设下，我们大概可以猜出 开关打开时泄漏电流造成的偏移误差， 因为V 误差= R 源 × ID 开。 这张幻灯片演示MUX 输入 受到高输入阻抗源干扰的示例。 输入源有 1 兆欧姆的电源阻抗。 这个多路复用器输出流入 18 位 精确数据采集系统的高阻抗输入。 假设我们有两个多路复用器， 标记为 MUX1 和 MUX2。 某个温度的泄漏电流 是这些多路复用器之间仅有的 区别因素。 多路复用器泄漏电流流过 输入阻抗，这导致出现 偏移误差。 此处所示的表概要介绍了 不同多路复用器泄漏电流对测量 准确度的影响。 泄漏电流随温度的升高而增加。 表中显示偏移误差在 25 摄氏度和 85 摄氏度时出现的变化。 对于 MUX1，指定温度范围内的10 皮安和 50 皮安 泄漏电流造成10 微伏和 50 微伏 偏移误差，对于 MUX2， 指定温度下的100 皮安和 500 皮安 泄漏电流造成100 微伏和 500 微伏的偏移误差。 由于多路复用器连接到数据采集系统， 因此对计算编码中的误差很有帮助。 示例计算显示了如何 将误差电压转换为拥有 5 伏参考电压的 18 位系统的编码。 首先，最低有效位 (LSB)分辨率的 计算方法为，用参考电压 除以编码总数，即 V LSB 等于5 伏除以 2 的 18 次方，得出 19.073 微伏。 接下来是偏移误差，它以伏为单位， 计算方法是，用泄漏电流乘以 电源电阻，在此示例中为 100 微伏。 最后，我们用偏移误差电压 除以 LSB 电压，得出总误差为 5.2 个编码。 大多数高输入阻抗传感器的 输出电压都较低。 因此，输入段造成的任何其他偏差 都可能限制 ADC 能够提供的最大 满量程电压。 从此处显示的表格来看，显然对于高精度 数据采集系统而言，即便是 几百皮安的输入泄漏 也可能对测量准确性产生重大影响。 所以，在设计高输入阻抗数据采集系统时， 选择具有低泄漏电流的 多路复用器非常重要。 我们要介绍的下一个概念 叫做电荷注入。 但在介绍前，我们先来回顾一下电容器充电， 公式。 整个电容器的电荷定义为 整个电容器的电压乘以 它的电容--就是，Q = C × V。Q 指示的电荷以库仑为单位计。 这个简单的示例说明了，当荷电电容器 连接到另一个电容器，电荷将在两个 电容器之间重新分配，总电压将降低。 最初，电容器C1 充电到 1 伏， 开关打开。 电荷库仑的计算方法为 C1 乘以电压，即 100 皮法拉 乘以 1 伏，等于100 皮库仑。 开关关闭时，总电容 增加到 110 皮法拉，因为 C2 与 C1 并行下降。 整个并联组合的最终电压 可通过重新排列电荷方程进行计算：V = Q/C。在方式中填入数字后， 您可以看到，最终电压 降到大约 0.909 伏。 这个简短提醒应该能够帮助您 理解电荷注入，因为它涉及到 电荷的重新分配。 这张幻灯片介绍了多路复用器在什么情况下 会发生电荷注入现象。 电荷注入是通过寄生电容的 开关控制信号的耦合。 它被称为电荷注入是因为来自 寄生电容的电荷注入到 MUX 输出。 电荷注入误差显示为开关打开或关闭时 开关输出产生的电压变化。 我们在切换启用或禁用关联的 多路复用器的任何一个控制引脚时， 可能发生电荷注入。 为了方便理解，我们假设 启用的多路复用器的引脚 从 VSS 切换为 VDD，如幻灯片中所示。 无论开关打开还是关闭，MOSFET 的栅 都会出现步间电压--VDD 到 VSS，或 VSS 到 VDD。 这个大额步间电压会向通过 寄生栅漏电容 (CGD) 的开关输出 注入电荷。 注入的电荷量取决于 CGD 值。 输出电压的变化取决于 注入的电荷量、Q INJ 和负载 电容. 输出造成的电压变化 可以由 Q INJ等于 δV 输出乘以 C 负载计算得出，其中 C 负载可以估计为 CD + CL。 基于这个方程，您可以看到大负荷 电容将最大程度地降低多路复用器输出时 电荷注入的影响。 当然，产生的这种影响也会在 注入误差的内部寄生电容 --就是 CDG--变得更小时降到最低。 这张幻灯片介绍了指定多路复用器的 电荷注入如何影响输出电压。 假设我们有两个多路复用器， 它们之间唯一的区别因素 是电荷注入。 一个多路复用器的电荷注入是 0.4 皮库仑， 另一个多路复用器的电荷注入是 0.8 皮库仑。 假设每个多路复用器在 10 纳法拉的 漏引脚都有输出负载电容。 当开关打开或关闭时， 寄生栅漏电容器将 电荷泵入或泵出输出负荷电容器。 这张幻灯片显示的图表突出显示了 每个多路复用器产生的输出电压误差。 这个电压误差就是注入电荷 除以负载电容。 所以，换句话说，误差等于 Q INJ 除以 CL。 有一点要注意，注入输出电容器 的电荷量因输入电压而异。 所以，这个影响在本质上是非线性的。 这张幻灯片汇总了我们在本视频中 讨论的参数。 泄漏电流是一个重要参数， 因为它导致了偏移误差。 对于高输入阻抗数据采集系统， 大约几十纳安的泄漏电流 也可能明显影响系统准确度。 泄漏电流还随温度的变化而变化。 由于泄漏电流产生的误差 在本质上是非线性的。 所以说，在这类系统中，选择泄漏电流 超低的多路复用器非常重要。 电荷注入现象导致输出电压误差， 不论开关什么时候打开或关闭。 通常情况下，阻抗较低且电容较高的 多路复用器有较高的电荷注入。 而且，负载电容较小的系统 受电荷注入的影响更大， 因为注入电荷造成更大的电压变化。 对于速度更快的开关系统，应该选择 低电荷注入的多路复用器。 我们讨论了多路复用器的泄漏电流和电荷注入 参数是如何定义的， 以及它们如何影响系统性能。 请继续关注下一个视频，我们将详细讨论 其他多路复用器参数串扰、带宽 和断开隔离。 谢谢。 请尝试完成测验以检查您对本视频