通过使用模拟多路复用器和开关共享资源,节省空间,成本和功耗

设计人员经常面临挑战,即找到最具成本,功耗和空间效率的方法来数字化多个传感器或将多个收发器路由到公共通信总线上。解决方案是共享公共资源,以避免重复整个信号链及其相关组件。
这是通过使用模拟多路复用器多路复用输入来实现的。这些可以将多个传感器连接到模数转换器(ADC)的输入,依次数字化每个传感器。相同的方法可以应用于通信总线,其中每个收发器可以在固定的时间间隔内共享总线。
模拟开关和多路复用器的关键特性是它们都提供输入和输出之间的双向路径,并且它们还具有高信号完整性,具有最小的串扰和漏电流。
本文介绍了模拟多路复用器和开关配置,然后介绍了德州仪器公司的合适解决方案,展示了这些器件的功能和灵活性。然后,它提供了有关模拟开关和多路复用器应用以共享资源的见解。

模拟多路复用器

多路复用器是一种电子开关,可选择性地将多个输入源连接到公共输出线(图1)。
使用4:1多路复用器的典型模拟多路复用器应用图图1:典型的模拟多路复用器应用,使用4:1多路复用器顺序数字化四个传感器的模拟输出。逻辑信号A0和A1的二进制状态确定哪个输入连接到ADC。(图片来源:德州仪器)
图1显示了通过4到1模拟多路复用器连接到公共ADC的四个传感器。一对逻辑信号A0和A1控制哪个传感器连接到ADC。由于传感器报告的物理特性不随时间快速变化,因此顺序采样不会造成数据丢失的风险。主要优点是通过仅为所有四个传感器使用单个ADC和相关电路来降低整体部件数量,从而降低设计的总体成本。

多路复用器和开关配置

模拟多路复用器是更广泛的电子开关类别的一部分,可提供大量配置,如图2所示
常见的交换机和多路复用器配置图图2:一些常见的交换机和多路复用器配置。开关与模拟多路复用器的不同之处在于输出没有连接在一起; 它们可以独立路由。(图片来源:Digi-Key Electronics)
多路复用器配置为选择2 N输入中的任何一个,常用型号范围为2:1至16:1。对于每个多路复用器2 N配置,数字控制线的数量等于N.因此,8:1多路复用器需要三条控制线。开关配置由输入或“极点”数量和输出数量或“投掷”来描述。单刀单掷(SPST)开关具有单输入和单输出。单刀双掷(SPDT)开关具有单输入和两输出。集成电路(IC)制造商通常将多个开关封装到单个IC封装中,并将多个开关描述为具有多个通道,如图2所示的四通道SPST开关。
SPST和SPDT交换机是两种最常见的交换机配置。还有用于射频(RF)应用的单刀三掷(SP3T)和单刀四掷(SP4T)开关。
可以将开关设计为具有影响开关触点改变时发生的特定动态特性。如果开关设计为“先断后续”,则意味着保持初始连接直到建立新连接。动触头永远不会打开状态。另一方面,“先断开”开关在制造新连接之前切断原始连接,使得没有相邻的触点被短路。

CMOS开关

大多数当前的模拟开关和多路复用器设计采用互补金属氧化物半导体(CMOS)场效应晶体管(FET)。代表性的双向开关元件采用两个互补的CMOS FET,一个N沟道和一个P沟道器件,并联连接(图3)。
基本多路复用器开关元件及其等效电路图图3:基本多路复用器开关元件及其等效电路。互补FET允许双向操作,因此它可以在任一方向上切换信号。(图片来源:Digi-Key Electronics)
并联布置产生可以处理任一极性信号的传导路径。这种组合还可以最大限度地降低串联导通电阻(R On)并降低其电压灵敏度。的等效电路的显著元件为R 论和沟道电容C d。
导通电阻以及源电阻R Source和负载电阻R Load会影响开关闭合时的增益。导通电阻也随施加的信号电压而变化。C D和负载电容C Load的导通电阻和并联组合会影响带宽和开关动态,主要是开关时间。在一般情况下,设计师应该尽量减少两个R 在和C d。在信号路径中还存在影响直流(DC)偏移的漏电流。
当开关打开时,馈通电容C F提供开关周围的路径,限制其隔离能力。在开关闭合期间,源电容C S与通道和负载电容之间共享电荷,从而导致开关瞬变。
如图1所示,通过使用具有非常高输入电阻的缓冲放大器缓冲开关输出,可以最小化开关导通电阻的影响。该电路配置可降低增益损耗并最大限度地降低导通电阻变化的影响。然而,它可以由于泄漏电流而增加偏移电压。这里有一个工程权衡,通常通过选择具有最小可能泄漏电流的元件来解决。

模拟多路复用器和开关解决方案

德州仪器TMUX1108PWR 8:1多路复用器是用于与ADC配合的精密多路复用器的示例。它的电源电压(V DD)范围为1.08至5伏。信号电压范围为0伏至V DD,支持双向模拟或数字信号。通道串联电阻R On通常为2.5欧姆(Ω),漏电流小于3皮安(pA)。电容为65 pF,导致通道之间的转换时间通常为14纳秒(ns),带宽为90兆赫(MHz)。
TMUX11xx系列多路复用器有多种配置可供选择。例如,TMUX1109RSVR是双通道4:1多路复用器。它具有与TMUX1108PWR相同的电源范围和漏电规格,但导通电阻为1.35Ω(通常),最大带宽为135 MHz。该器件具有两个4:1多路复用器,可用作4:1差分多路复用器或两个4:1单端多路复用器(图4)。
这是基于双同时采样逐次逼近型ADC的差分四通道数据采集系统的应用示例。每个ADC有四个差分通道。每个16位ADC具有3兆采样/秒(MS / s)采样率,适用于幅度高达±3.8伏的信号。这种采集系统的应用包括光学,工业和电机控制。
四通道差分信号采集系统图图4:两个双4:1多路复用器的应用是一个四通道差分信号采集系统,带宽为16.45 MHz,用于处理光学,工业或电机控制信号。(图片来源:德州仪器)
最简单的多路复用器拓扑是单通道2:1多路复用器。这基本上是一个SPDT开关。德州仪器TMUX1119DCKR是2:1多路复用器的精密版本。它与TMUX11xx系列的其他成员具有相同的电源范围和漏电流。其导通电阻通常为1.8Ω,最大带宽为250 MHz。
在2:1多路复用器的应用中,使用其中两个作为反向开关(图5)。该回路是使用差分飞行时间测量来确定流速的气体计量系统的回路。有两个超声换能器放置在已知距离的管道中。测量从一个换能器到另一个换能器的传播时间,然后反转换能器以测量另一个方向上的传播时间。根据时间差计算管道中气体的流速。两个TMUX1119多路复用器用于反转传感器连接。这是多路复用器将信号路由到气流分析仪的输入的示例。该多路复用器的超低漏电流和导通电阻平坦度使其成为该应用的绝佳选择。
原理图显示了使用两个2:1多路复用器来反转连接图5:示意图显示了使用两个2:1多路复用器来反转气流分析仪中一对超声换能器上的连接。(图片来源:德州仪器)
除了这些各种多路复用器配置之外,还可以将多个独立开关封装到IC中。考虑一下德州仪器TMUX6111RTER四电路SPST开关(图6)。该器件具有0.5 pA的极低漏电流和800 MHz的带宽。导通电阻为中等120Ω。
德州仪器TMUX611RTER四电路SPST图图6:TMUX611RTER四电路SPST开关包括四个独立开关,具有极低的漏电流和800 MHz的带宽。(图片来源:德州仪器)
这是该产品系列中的三种器件之一,提供四个独立开关。此版本有四个常开开关。另一个版本有四个常闭开关,而第三个版本有两个每种类型的开关。

结论

通过允许多个传感器共享一个通用的模数转换器,模拟开关和多路复用器在元件空间,成本和功率方面提供了极大的经济性。它们还可以在计算机控制下更改电路连接方面提供极大的灵活性,无论是共享通信总线还是更换传感器连接。

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