高壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的多路復(fù)用器

許多數(shù)據(jù)采集應(yīng)用都在系統(tǒng)前端使用多路復(fù)用器。在輸入端的電源軌之外放置信號(hào)可能會(huì)導(dǎo)致多路復(fù)用器和下游器件損壞，并導(dǎo)致測(cè)量誤差。為了解決這些問題，可能需要在系統(tǒng)中增加一個(gè)更高的電源軌，或者使用超出電源電壓的多路復(fù)用器，如 TMUX4827。然而，設(shè)計(jì)人員可以選擇通過采用分立式超出電源電壓和過壓容差設(shè)置來使用較低的電源軌，從而防止損壞并允許系統(tǒng)有效運(yùn)行。

TI 模擬開關(guān)和多路復(fù)用器內(nèi)部 ESD 電流路徑

要實(shí)現(xiàn)超出電源電壓和過壓容差設(shè)計(jì)，必須首先了解當(dāng) I/O 引腳上存在電源軌之外的信號(hào)時(shí)如何激活大多數(shù) TI 多路復(fù)用器的 ESD 保護(hù)。

雖然所有 TI 開關(guān)和多路復(fù)用器都包含某種類型的 ESD 保護(hù)，但具體實(shí)現(xiàn)方案可能存在很大差異。圖 1 展示了簡化模型中的典型實(shí)現(xiàn)。

圖 1 CMOS 開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)

在這種常見拓?fù)渲?，?dāng)輸入信號(hào)超過多路復(fù)用器電源約 0.5V 至 0.7V 或低于 GND (VSS) 約 0.5V 至 0.7V 時(shí)，這將觸發(fā)內(nèi)部 ESD 二極管，該二極管會(huì)導(dǎo)通電流并將電流分流到電源或 GND（圖 2）。

圖 2 過壓或欠壓事件期間的多路復(fù)用器內(nèi)部模型

如果電流控制不當(dāng)并保持在二極管額定電流以下（通?？稍跀?shù)據(jù)表中找到，形式為 I_K、I_OK 或 I_IK），電流可能會(huì)損壞器件。圖 3 顯示，當(dāng)內(nèi)部 ESD 二極管正向偏置時(shí)，I/O 引腳上的電壓可能會(huì)對(duì)多路復(fù)用器反向供電并損壞下游元件。

圖 3 過壓事件期間的系統(tǒng)級(jí)視角

具有實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分立式超出電源電壓和過壓容差運(yùn)行

設(shè)計(jì)人員可以利用通用多路復(fù)用器 ESD 架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)分立式設(shè)計(jì)。這涉及到使用一個(gè)電阻器來限制通過開關(guān)的電流以滿足數(shù)據(jù)表中列出的規(guī)格（I_K、I_OK 或 I_IK），并將一個(gè)二極管與外部電源串聯(lián)。該設(shè)置使多路復(fù)用器能夠反向供電，從而允許多路復(fù)用器傳遞超出電源電壓的信號(hào)。此外，連接到電源的二極管可防止電流對(duì)電源造成損壞。通過采用這種方法，系統(tǒng)可以使用具有高電壓 (HV) 功能的開關(guān)或多路復(fù)用器來處理和承受超過電源電壓的電壓（圖 4）。

圖 4 具有分立式超出電源電壓和過壓容差設(shè)置的系統(tǒng)級(jí)視角

通過使高壓 (HV) 多路復(fù)用器能夠傳遞超出電源電壓的信號(hào)，可以擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能。但是，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要注意的一個(gè)缺點(diǎn)是多路復(fù)用器的輸出信號(hào)中存在誤差。該誤差是由兩個(gè)因素引起的：從輸入信號(hào)中提取電流來對(duì)多路復(fù)用器反向供電，以及多路復(fù)用器的內(nèi)部架構(gòu)。通過對(duì)具有相同外部電阻器和二極管設(shè)置的多路復(fù)用器測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，可以了解該信號(hào)誤差（圖 5）。

圖 5 分立式超出電源電壓和過壓容差多路復(fù)用器測(cè)試設(shè)置

查看測(cè)試結(jié)果時(shí)，可以清楚地區(qū)分 TMUX4051 和 TMUX8108 的性能。TMUX4051 非常適合需要分立式超出電源電壓支持的應(yīng)用，因?yàn)樵撈骷枰倭侩娏鬟M(jìn)行反向供電，并且具有傳輸門內(nèi)部架構(gòu)。TMUX4051 的傳輸門拓?fù)涫蛊骷谳斎腚妷哼_(dá)到或超過多路復(fù)用器的電源電壓時(shí)具有扁平 R_on（導(dǎo)通電阻）。傳輸門的扁平 R_on 可以更大限度地減小多路復(fù)用器對(duì)輸出電壓 (V_OUT) 的影響。對(duì)于此器件，從輸入信號(hào)中提取的電流對(duì)多路復(fù)用器反向供電是導(dǎo)致 V_OUT 誤差的主要原因。

TMUX8108 是需要高達(dá) 100V 或 ±50V 輸入信號(hào)的過壓容差的應(yīng)用的理想選擇。雖然該器件的反向供電會(huì)造成誤差，但該器件的 V_OUT 誤差主要來自 NFET 內(nèi)部架構(gòu)。例如，在 NFET 上的 V_IN 大于 V_DD – V_TH（閾值電壓）的過壓情況下，NFET 會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)域。這會(huì)使 NFET 像電流源一樣工作，輸出恒定電流，而不是具有線性 IV 曲線的電阻。當(dāng) NFET 在飽和區(qū)運(yùn)行時(shí)，NFET 無法傳遞超出電源軌的信號(hào)，而是在輸出端顯示鉗位信號(hào)。請(qǐng)務(wù)必記住，NFET 開關(guān)只能傳遞高達(dá) V_DD – V_TH 的信號(hào)。

參考資料

• 德州儀器 (TI)，如何使用多路復(fù)用器處理高壓共模應(yīng)用應(yīng)用手冊(cè)
• 德州儀器 (TI)，高電壓模擬多路復(fù)用器的系統(tǒng)級(jí)保護(hù)應(yīng)用手冊(cè)
• 德州儀器 (TI)，常見的開關(guān)架構(gòu)是什么？高精度實(shí)驗(yàn)室視頻系列