低漏電多路復用器在高阻抗PLC系統中是否重要？

一位任職于領先的可編程邏輯控制器（PLC）制造商的年輕工程師滿懷熱情，正在設計一個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模數轉換器（ADS125H02）、5-V基準電壓和德州儀器的精密放大器（OPA192）。

當選擇多路復用器時，他有三種選項：一個是德州儀器的MUX36D04和兩個來自其他供應商的多路復用器(MUX2和MUX3)。除了輸入漏電流規格分別為1 pA、100pA和1 nA（25°C時的典型值）外，每一個多路復用器規格都很相似。

起初，這位工程師認為這三個多路復用器看起來一模一樣，而且認為這三個多路復用器中的輸入漏電流低到可以忽略不計。他認為可以選擇這三者之中的任何一個，并從他的系統中獲得類似的性能。

在此博文中，你會發現他也許忽略了多路復用器的漏電流。

圖1所示為帶有多個傳感器接口的數據采集系統的標準框圖。

圖1：數據采集系統中輸入信號調理單元的框圖

漏電流：默默地抵消偏移誤差

漏電流是一個重要參數，因為它在開關打開和斷開時都會導致直流誤差。多路復用器數據表有許多與漏電流相關的規格，包括當開關合上或斷開時流過源極管腳(I_S)或漏極管腳(I_D)的漏電流。圖2所示為模擬開關的簡化模型。

圖2：開關打開時的簡化小信號模型

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，工程師忽略了負載電阻R_L的影響。R_O是開關的導通電阻。

當開關合上時，方程式1計算由漏電流引入的電壓誤差： 

當開關斷開時，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：開關斷開時的簡化小信號模型 

漏電流也隨溫度的升高而增大。所有數據表應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，它是一個非常重要的參數。所以讓我們來看看這個參數是如何影響系統性能的。

漏電流的微微安或毫微安其實是有差別的

PLC系統中的模擬輸入模塊經常切換pH、光學、濕度、加速度計和化學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，且與溫度成反比關系。由于并聯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，方程式2計算對應1個最低有效位（LSB）的最小分辨率或電壓，如下所示：

請記住，工程師有三個多路復用器可以選擇，在表1中標記為MUX36D04、MUX2和MUX3。還要記住（25°C/85°C）時的漏電流是唯一的區別因素。對于每個多路復用器，漏電流流過輸入阻抗，導致偏移誤差，從而影響整個系統精度。表1簡要地介紹了多路復用器是如何影響測量精度的。

表1：漏電流及其與LSB的偏移誤差的關系

大多數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，對于高精度數據采集系統，即使幾百微微安的輸入泄漏也會對測量精度產生顯著影響。漏電流隨溫度的變化而變化，表1顯示了25°C和85°C時的偏移誤差變化。光傳感器阻抗也隨光強度和環境溫度的變化而變化，因此這不僅會導致偏移誤差，還會導致線性誤差。

所以工程師不能忽略泄漏電流，因此需要選擇一個低泄漏多路復用器。

設計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。德州儀器的MUX36S08和MUX36D04超低泄漏模擬多路復用器無需校準偏移誤差，簡化了模擬輸入模塊的設計，同時也大大減少了偏移和線性誤差。MUX36S08和MUX36D04在25°C時具有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-40°C到125°C的詳細曲線圖, 請參見MUX36S08數據表。)

圖5：MUX36S08漏電流I_D(ON)隨溫度的變化

總結來說，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用器。MUX36S08和MUX36D04選項滿足低泄漏的需要，還提供低電容、低電荷注入、軌對軌運行和低功耗。