ZHCAER5 June 2024 TMUX4051 , TMUX8108
高壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的多路復用器
許多數(shù)據(jù)采集應(yīng)用都在系統(tǒng)前端使用多路復用器。在輸入端的電源軌之外放置信號可能會導致多路復用器和下游器件損壞，并導致測量誤差。為了解決這些問題，可能需要在系統(tǒng)中增加一個更高的電源軌，或者使用超出電源電壓的多路復用器，如 TMUX4827。然而，設(shè)計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)有效運行。
TI 模擬開關(guān)和多路復用器內(nèi)部 ESD 電流路徑
要實現(xiàn)超出電源電壓和過壓容差設(shè)計，必須首先了解當 I/O 引腳上存在電源軌之外的信號時如何激活大多數(shù) TI 多路復用器的 ESD 保護。
雖然所有 TI 開關(guān)和多路復用器都包含某種類型的 ESD 保護，但具體實現(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現(xiàn)。
圖 1 CMOS 開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)在這種常見拓撲中，當輸入信號超過多路復用器電源約 0.5V 至 0.7V 或低于 GND (VSS) 約 0.5V 至 0.7V 時，這將觸發(fā)內(nèi)部 ESD 二極管，該二極管會導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用器內(nèi)部模型如果電流控制不當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 IK、IOK 或 IIK），電流可能會損壞器件。圖 3 顯示，當內(nèi)部 ESD 二極管正向偏置時，I/O 引腳上的電壓可能會對多路復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)級視角具有實驗結(jié)果的分立式超出電源電壓和過壓容差運行
設(shè)計人員可以利用通用多路復用器 ESD 架構(gòu)來實現(xiàn)分立式設(shè)計。這涉及到使用一個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（IK、IOK 或 IIK），并將一個二極管與外部電源串聯(lián)。該設(shè)置使多路復用器能夠反向供電，從而允許多路復用器傳遞超出電源電壓的信號。此外，連接到電源的二極管可防止電流對電源造成損壞。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)級視角通過使高壓 (HV) 多路復用器能夠傳遞超出電源電壓的信號，可以擴展數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能。但是，系統(tǒng)設(shè)計人員需要注意的一個缺點是多路復用器的輸出信號中存在誤差。該誤差是由兩個因素引起的：從輸入信號中提取電流來對多路復用器反向供電，以及多路復用器的內(nèi)部架構(gòu)。通過對具有相同外部電阻器和二極管設(shè)置的多路復用器測試結(jié)果進行分析，可以了解該信號誤差（圖 5）。
圖 5 分立式超出電源電壓和過壓容差多路復用器測試設(shè)置| 器件名稱 | VDD | 從輸入信號中提取的電流 | 二極管反向漏電流 | VIN | VOUT |
|---|---|---|---|---|---|
| TMUX4051 | 10V | 28.5μA | –7.2μA | 20V | 19.96V |
| TMUX8108 | 10V | 257μA | –7μA | 20V | 17.88V |
查看測試結(jié)果時，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，因為該器件需要少量電流進行反向供電，并且具有傳輸門內(nèi)部架構(gòu)。TMUX4051 的傳輸門拓撲使器件在輸入電壓達到或超過多路復用器的電源電壓時具有扁平 Ron（導通電阻）。傳輸門的扁平 Ron 可以更大限度地減小多路復用器對輸出電壓 (VOUT) 的影響。對于此器件，從輸入信號中提取的電流對多路復用器反向供電是導致 VOUT 誤差的主要原因。
TMUX8108 是需要高達 100V 或 ±50V 輸入信號的過壓容差的應(yīng)用的理想選擇。雖然該器件的反向供電會造成誤差，但該器件的 VOUT 誤差主要來自 NFET 內(nèi)部架構(gòu)。例如，在 NFET 上的 VIN 大于 VDD – VTH（閾值電壓）的過壓情況下，NFET 會進入飽和區(qū)域。這會使 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 NFET 在飽和區(qū)運行時，NFET 無法傳遞超出電源軌的信號，而是在輸出端顯示鉗位信號。請務(wù)必記住，NFET 開關(guān)只能傳遞高達 VDD – VTH 的信號。
參考資料
- 德州儀器 (TI)，如何使用多路復用器處理高壓共模應(yīng)用應(yīng)用手冊
- 德州儀器 (TI)，高電壓模擬多路復用器的系統(tǒng)級保護應(yīng)用手冊
- 德州儀器 (TI)，常見的開關(guān)架構(gòu)是什么？高精度實驗室視頻系列