如何解決電荷注入，導(dǎo)致我們的工業(yè)控制系統(tǒng)出現(xiàn)輸出電壓錯誤

1.前言

從事快速切換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員經(jīng)常抱怨模擬輸入通道上出現(xiàn)隨機(jī)尖峰、波動、過度噪聲或其他類型的意外電壓。這些問題的常見原因是阻抗不匹配。當(dāng)驅(qū)動多路復(fù)用系統(tǒng)的源阻抗高于控制系統(tǒng)的輸入阻抗時，我們可能會看到一個掃描通道的電壓反映在另一個掃描通道上。

如果源阻抗和輸入阻抗匹配但意外電壓仍然存在怎么辦？

無論是工業(yè)控制系統(tǒng)還是任何快速切換的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，切換通道時都會有不止一個因素導(dǎo)致輸出電壓誤差。但是，就本博客而言，我們將特別關(guān)注一個原因，即多路復(fù)用器的電荷注入。之所以稱為電荷注入，是因?yàn)樵O(shè)備內(nèi)的電荷會重新分配，并且可以在設(shè)備打開和關(guān)閉時推送到輸出。

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，多路復(fù)用器從一個通道切換到下一個通道會在每個通道上引入少量電荷。開放通道中缺少用于該電荷耗散的路徑會影響通道電壓，從而導(dǎo)致輸出電壓誤差。在高速掃描模擬輸入通道時，我們可能會看到不正確的讀數(shù)。

2.如何改善

讓我們探討兩種情況，以便更好地了解電荷注入及其如何影響多路復(fù)用系統(tǒng)中的輸出電壓。

在第一種情況下，大負(fù)載電容 (C L ) 限制了系統(tǒng)的帶寬。當(dāng)多路復(fù)用器的選擇引腳 (SEL) 從低電平切換到高電平（或關(guān)閉到開啟，如圖 1 所示）時，MOSFET 的柵極會受到階躍電壓的影響。該階躍電壓通過寄生柵漏電容 (C GD )將電荷注入開關(guān)的輸出。輸出電壓的變化取決于注入的電荷量 (Q C ) 和負(fù)載電容 (C L )。

圖1：開關(guān)電容結(jié)構(gòu)

根據(jù)等式 1，我們可以看到較大的 C L將使多路復(fù)用器輸出端的電荷注入影響最小化：

(?V OUT = Q c / C L ) (1)

然而，這將限制輸入信號的帶寬，因?yàn)槎嗦窂?fù)用器的 3-dB 截止頻率與 C L成反比。

在第二種情況下，我們看到在切換到下一個通道之前，在信號穩(wěn)定后對開關(guān)輸出進(jìn)行采樣時會發(fā)生什么。不幸的是，在需要快速采樣頻率的工業(yè)控制系統(tǒng)中，這不是一個選項(xiàng)，因此最好的選擇是選擇電荷注入非常低的多路復(fù)用器。

如圖 2 所示，如果注入誤差的內(nèi)部寄生電容 (C DG ) 較小，則可以將電荷注入的影響降至最低。通常，具有較低導(dǎo)通電容的多路復(fù)用器具有較低的電荷注入。

圖 2：TMUX6104 電荷注入測試設(shè)置

為了獲得更好的精度，不僅電荷注入應(yīng)該低，而且還應(yīng)該在系統(tǒng)的輸入電壓范圍內(nèi)保持平坦。

由于電荷注入是一個隨電源電壓變化的多路復(fù)用器參數(shù)，不同的電源電壓可能會導(dǎo)致輸出電壓讀數(shù)出現(xiàn)非線性變化，從而導(dǎo)致操作錯誤。為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)健，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該選擇一種不僅具有非常低的電荷注入而且在應(yīng)用的輸入電壓范圍內(nèi)保持平坦的多路復(fù)用器。

所述 TMUX6104精度模擬多路復(fù)用器使用該降低了源極-漏極電荷注入到低至-0.35 PC在V特殊電荷注入抵消電路SS在全信號范圍= 0V，并且-0.41 PC。

圖 3 是 TMUX6104 在 ±15 V 電源電壓范圍內(nèi)的電荷注入圖。如我們所見，與競爭器件相比，不僅電荷注入低，而且整個器件的電荷注入性能變化輸入電壓范圍極小，非常適合快速開關(guān)的工業(yè)控制系統(tǒng)。并且多路復(fù)用器的CMOS FET開關(guān)的柵-源極電容和柵-漏極電容，以及源極和負(fù)載的RC時間常數(shù)都會影響穩(wěn)定時間。設(shè)計(jì)工程師必須考慮這么一個事實(shí)：當(dāng)負(fù)載和源極的電容增加時，源極和負(fù)載端的開關(guān)瞬態(tài)振幅將降低。

圖 3：TMUX6104 電荷注入與源電壓的關(guān)系

3.結(jié)論

電荷注入是對由于開關(guān)從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)時的再分配電壓而產(chǎn)生的不需要的電荷的測量。它表現(xiàn)為通道切換時在開關(guān)輸出端引入的電壓變化。為此，建議設(shè)計(jì)工程師為快速開關(guān)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選擇電荷注入極低的多路復(fù)用器。