Аналоговые ключи и мультиплексоры для измерительных систем

Аналоговый ключ или мультиплексор в измерительной системе не является идеальным переключателем. Он вносит сопротивление, утечки, зарядовые выбросы, нелинейность и паразитные ёмкости. В простых схемах это может быть незаметно, но в прецизионных измерительных каналах, многоканальных АЦП, датчиках малых сигналов и промышленных модулях сбора данных именно эти параметры определяют итоговую точность.

Сопротивление открытого канала, влияет на падение напряжения и взаимодействует с сопротивлением источника сигнала. Если за мультиплексором стоит вход АЦП с выборочным конденсатором, сопротивление ключа вместе с внешней цепью образует постоянную времени. При недостаточном времени установления измерение будет ошибочным. Особенно это заметно при быстром переключении каналов, когда предыдущий сигнал частично влияет на следующий.

Сопротивление канала важно не только само по себе, но и по стабильности. Его зависимость от входного напряжения, питания и температуры создает нелинейность. Для датчиков с малым выходным сигналом или мостовых схем это может стать источником систематической ошибки. В таких случаях низкое типовое сопротивление не гарантирует точность, если не учтён разброс и изменение параметра в рабочем диапазоне.

Инжекция заряда, возникает в момент переключения ключа. Часть заряда из управляющей структуры попадает в сигнальную цепь и вызывает короткий скачок напряжения. Для медленного промышленного сигнала это может быть несущественно, но для высокоомного входа, интегратора, схемы выборки-хранения или прецизионного АЦП такой выброс становится измеримой ошибкой. Иногда проблему решают увеличением времени после переключения до начала измерения, иногда требуется другой тип мультиплексора.

Ток утечки, особенно важен в высокоомных цепях. Если источник сигнала имеет большое сопротивление, даже наноамперы утечки могут создать заметное смещение. Температура усиливает этот эффект: ток утечки растёт, и канал, который был точным при комнатных условиях, начинает давать ошибку в промышленном диапазоне температур.

При выборе аналогового ключа или мультиплексора нужно учитывать диапазон входных сигналов, питание, сопротивление канала, инжекцию заряда, токи утечки, ёмкость, изоляцию закрытого канала и скорость переключения. Разводка платы также критична: рядом с высокоомными узлами нельзя вести шумные цифровые линии, а загрязнение поверхности платы может добавить собственные пути утечки.

Для поставки электронных компонентов в измерительные системы важно подбирать аналоговые ключи, мультиплексоры, АЦП, операционные усилители и прецизионные резисторы с учетом метрологической задачи.