模拟多路复用器和开关配置

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模拟多路复用器和开关配置 [复制链接]

在进行多传感器数字化处理或将多个收发器连接到公用通信总线时，设计人员常常很难找到最有效的节省成本、功耗和空间的方法。解决方案是共享公用资源，避免重复构建整个信号链及其相关元器件。
实现办法是利用模拟多路复用器对输入进行多路复用。这样便可将多个传感器连接到一个模数转换器 (ADC) 的输入，由其依次对每个传感器进行数字化处理。同样的方法也可应用于通信总线，每个收发器可以按固定的时间间隔使用总线。
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，而且还具有高信号完整性、极小的串扰和漏电电流。
本文首先说明模拟多路复用器和开关配置，然后介绍 Texas Instruments 的相关解决方案，以展示这些器件的功能和灵活性。然后，本文会就应用模拟开关和多路复用器实现资源共享提出一些指引。

模拟多路复用器

多路复用器是一种将多个输入源选择性地连接到公用输出线的电子开关（图 1）。

图 1：典型模拟多路复用器应用，使用 4:1 多路复用器依次对四个传感器的模拟输出进行数字化处理。逻辑信号 A0 和 A1 的二进制状态决定了哪个输入连接到 ADC。（图片来源：Texas Instruments）

图 1 显示了四个传感器通过 4:1 模拟多路复用器连接到公用 ADC。一对逻辑信号 A0 和 A1 控制将哪个传感器连接到 ADC。由于传感器报告的物理特性不会随时间快速变化，因此顺序采样不会造成数据丢失的风险。其主要优点是只需使用一个 ADC 和相关电路便能处理所有四个传感器，元器件总数量得以减少，因而设计的总成本也得以降低。

多路复用器和开关配置
模拟多路复用器属于更广泛的电子开关类别，可提供如图 2 所示的大量配置。

图 2： 一些常见的开关和多路复用器配置。开关与模拟多路复用器的不同之处在于前者的输出没有连接在一起，可以独立选择路线。（图片来源：Digi-Key Electronics）

多路复用器配置为选择 2N 个输入中的任何一个，常用型号是从 2:1 到 16:1。对于每种多路复用器 2N 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“刀”）的数量及输出（或“掷”）的数量来描述。单刀单掷 (SPST) 开关具有一路输入和一路输出。单刀双掷 (SPDT) 开关具有一路输入和两路输出。集成电路 (IC) 制造商常常将多个开关装进单个 IC 封装中，并将这些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 开关是两种最常见的开关配置。另外还有用于射频 (RF) 应用的单刀三掷 (SP3T) 和单刀四掷 (SP4T) 开关。
开关可设计为具有特定的动态特性，可影响开关触点变化时发生的操作。如果开关设计为“先合后开”，则意味着初始连接将保持到建立新连接为止。动触点永远不会处于开路状态。相反，“先开后合”开关会先切断原始连接，再建立新连接，这样相邻触点就不会短路。

CMOS 开关
当前大多数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 CMOS FET：一个 N 沟道器件和一个 P 沟道器件，二者并联连接（图 3）。

图 3：基本多路复用器开关元件及其等效电路。互补 FET 支持双向操作，可以在任一方向上切换信号。（图片来源：Digi-Key Electronics）

并联布置产生的传导路径可以处理任一极性的信号。这种组合还使串联导通电阻 (ROn) 最小化，并降低其电压敏感度。等效电路的重要元件有 ROn 和沟道电容 CD。
导通电阻与源电阻 RSource 和负载电阻 RLoad 一同影响开关闭合时的增益。导通电阻还随施加的信号电压而变化。导通电阻以及 CD 和负载电容 CLoad 的并联组合会影响带宽和开关动态特性，主要是开关时间。一般而言，设计人员应力求让 ROn 和 CD 最小化。同时还会有漏电电流进入信号路径，影响直流 (DC) 偏移。
当开关断开时，馈通电容 CF 会在开关周围提供一条路径，限制其隔离能力。在开关闭合期间，源电容 CS 与沟道和负载电容共享电荷，产生开关瞬态。
如图 1 所示，使用具有超高输入电阻的缓冲放大器缓冲开关输出，可以使开关导通电阻的影响降至最小。该电路配置减少了增益损耗，并最大限度降低了导通电阻变化的影响。然而，漏电流引起的补偿电压可能会增加。这里需要在工程上进行权衡，通常是通过选择漏电电流尽可能小的元件来解决。

模拟多路复用器和开关解决方案
Texas Instruments 的 TMUX1108PWR 8:1 多路复用器是旨在与 ADC 配合使用的精密多路复用器的范例。其供电电压 (VDD) 范围为 1.08 V 至 5 V。信号电压范围为 0 V 至 VDD，支持双向模拟或数字信号。通道串联电阻 ROn 的典型值为 2.5 Ω，漏电流小于 3 pA。导通电容为 65 pF，因此通道之间的渡越时间典型值为 14 ns，带宽为 90 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；具有与 TMUX1108PWR 相同的供电范围和漏电电流规格，但导通电阻为 1.35 Ω（典型值），最大带宽为 135 MHz。该器件具有两个 4:1 多路复用器，可用作一个 4:1 差分多路复用器或两个 4:1 单端多路复用器（图 4）。
这是一个差分四通道数据采集系统的应用示例，其中该系统基于双通道同步采样逐次逼近型 ADC。每个 ADC 有四个差分通道。每个 16 位 ADC 的信号采样率为 3 MS/s，幅度高达 ±3.8 V。此类采集系统的应用包括光学、工业和电机控制。

图 4：两个双通道 4:1 多路复用器的一种应用是四通道差分信号采集系统，其带宽为 16.45 MHz，适用于处理光学、工业或电机控制信号。（图片来源：Texas Instruments）

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。Texas Instruments 的 TMUX1119DCKR 是精密版本的 2:1 多路复用器。其电源范围和漏电电流规格与 TMUX11xx 系列的其他成员相同。导通电阻典型值为 1.8 Ω，最大带宽为 250 MHz。
2:1 多路复用器有一种应用是使用两个这样的器件作为逆转开关（图 5）。该电路是一个气体计量系统，使用差分飞行时间测量值来确定流速。有两个超声波变送器放置在一根管道中，相隔距离是已知的。首先测量从一个变送器到另一个变送器的传播时间，然后逆转变送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的气体流速。两个 TMUX1119 多路复用器用于逆转变送器连接。这是一个多路复用器将信号路由到气流分析仪输入的示例。该多路复用器具有超低漏电电流和平坦的导通电阻，因而成为此类应用的出色选择。

图 5：原理图显示了使用两个 2:1 多路复用器来逆转气流分析仪中一对超声变送器的连接。（图片来源：Texas Instruments）

除了各种各样的多路复用器配置之外，还可以将多个独立开关封装到一个 IC 中。以 Texas Instruments 的 TMUX6111RTER 四回路 SPST 开关为例（图 6）。该器件具有 0.5 pA 的超低漏电电流和 800 MHz 的带宽。导通电阻适中，为 120 Ω。

图 6：TMUX611RTER 四回路 SPST 开关包括四个独立开关，具有极低的漏电电流和 800 MHz 带宽。（图片来源：Texas Instruments）

这是该产品系列中的三款器件之一，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，而第三个版本是每类开关各有两个。

总结
模拟开关和多路复用器支持多个传感器共享一个公共模数转换器，从而在元器件空间、成本和功耗方面带来极大的经济性。这些器件还能提供极大的灵活性，可在计算机控制下更改电路连接，无论是共享通信总线还是改变变送器连接都可使用。