【導讀】在進行多傳感器數字化處理或將多個收發(fā)器連接到公用通信總線時，設計人員常常很難找到最有效的節(jié)省成本、功耗和空間的方法。解決方案是共享公用資源，避免重復構建整個信號鏈及其相關元器件。
在進行多傳感器數字化處理或將多個收發(fā)器連接到公用通信總線時，設計人員常常很難找到最有效的節(jié)省成本、功耗和空間的方法。解決方案是共享公用資源，避免重復構建整個信號鏈及其相關元器件。
實現辦法是利用模擬多路復用器對輸入進行多路復用。這樣便可將多個傳感器連接到一個模數轉換器 (ADC) 的輸入，由其依次對每個傳感器進行數字化處理。同樣的方法也可應用于通信總線，每個收發(fā)器可以按固定的時間間隔使用總線。
模擬開關和多路復用器的關鍵特性是它們都提供輸入和輸出之間的雙向路徑，而且還具有高信號完整性、極小的串擾和漏電電流。
本文首先說明模擬多路復用器和開關配置，然后介紹 Texas Instruments 的相關解決方案，以展示這些器件的功能和靈活性。然后，本文會就應用模擬開關和多路復用器實現資源共享提出一些指引。
模擬多路復用器
多路復用器是一種將多個輸入源選擇性地連接到公用輸出線的電子開關（圖 1）。
圖 1：典型模擬多路復用器應用，使用 4:1 多路復用器依次對四個傳感器的模擬輸出進行數字化處理。邏輯信號 A0 和 A1 的二進制狀態(tài)決定了哪個輸入連接到 ADC。（圖片來源：Texas Instruments）
圖 1 顯示了四個傳感器通過 4:1 模擬多路復用器連接到公用 ADC。一對邏輯信號 A0 和 A1 控制將哪個傳感器連接到 ADC。由于傳感器報告的物理特性不會隨時間快速變化，因此順序采樣不會造成數據丟失的風險。其主要優(yōu)點是只需使用一個 ADC 和相關電路便能處理所有四個傳感器，元器件總數量得以減少，因而設計的總成本也得以降低。
多路復用器和開關配置
模擬多路復用器屬于更廣泛的電子開關類別，可提供如圖 2 所示的大量配置。
圖 2： 一些常見的開關和多路復用器配置。開關與模擬多路復用器的不同之處在于前者的輸出沒有連接在一起，可以獨立選擇路線。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
多路復用器配置為選擇 2N 個輸入中的任何一個，常用型號是從 2:1 到 16:1。對于每種多路復用器 2N 配置，數字控制線的數量等于 N。因此，8:1 多路復用器需要三條控制線。開關配置由輸入（或“刀”）的數量及輸出（或“擲”）的數量來描述。單刀單擲 (SPST) 開關具有一路輸入和一路輸出。單刀雙擲 (SPDT) 開關具有一路輸入和兩路輸出。集成電路 (IC) 制造商常常將多個開關裝進單個 IC 封裝中，并將這些開關描述為具有多個通道，如圖 2 所示的四通道 SPST 開關。
SPST 和 SPDT 開關是兩種最常見的開關配置。另外還有用于射頻 (RF) 應用的單刀三擲 (SP3T) 和單刀四擲 (SP4T) 開關。
開關可設計為具有特定的動態(tài)特性，可影響開關觸點變化時發(fā)生的操作。如果開關設計為“先合后開”，則意味著初始連接將保持到建立新連接為止。動觸點永遠不會處于開路狀態(tài)。相反，“先開后合”開關會先切斷原始連接，再建立新連接，這樣相鄰觸點就不會短路。
CMOS 開關
當前大多數模擬開關和多路復用器設計采用互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 場效應晶體管 (FET)。代表性的雙向開關元件采用兩個互補 CMOS FET：一個 N 溝道器件和一個 P 溝道器件，二者并聯(lián)連接（圖 3）。
圖 3：基本多路復用器開關元件及其等效電路。互補 FET 支持雙向操作，可以在任一方向上切換信號。（圖片來源：Digi-Key Electronics）
并聯(lián)布置產生的傳導路徑可以處理任一極性的信號。這種組合還使串聯(lián)導通電阻 (ROn) 最小化，并降低其電壓敏感度。等效電路的重要元件有 ROn 和溝道電容 CD。
導通電阻與源電阻 RSource 和負載電阻 RLoad 一同影響開關閉合時的增益。導通電阻還隨施加的信號電壓而變化。導通電阻以及 CD 和負載電容 CLoad 的并聯(lián)組合會影響帶寬和開關動態(tài)特性，主要是開關時間。一般而言，設計人員應力求讓 ROn 和 CD 最小化。同時還會有漏電電流進入信號路徑，影響直流 (DC) 偏移。
當開關斷開時，饋通電容 CF 會在開關周圍提供一條路徑，限制其隔離能力。在開關閉合期間，源電容 CS 與溝道和負載電容共享電荷，產生開關瞬態(tài)。
如圖 1 所示，使用具有超高輸入電阻的緩沖放大器緩沖開關輸出，可以使開關導通電阻的影響降至最小。該電路配置減少了增益損耗，并最大限度降低了導通電阻變化的影響。然而，漏電流引起的補償電壓可能會增加。這里需要在工程上進行權衡，通常是通過選擇漏電電流盡可能小的元件來解決。
模擬多路復用器和開關解決方案
Texas Instruments 的 TMUX1108PWR8:1 多路復用器是旨在與 ADC 配合使用的精密多路復用器的范例。其供電電壓 (VDD) 范圍為 1.08V 至 5V。信號電壓范圍為 0V 至 VDD，支持雙向模擬或數字信號。通道串聯(lián)電阻 ROn 的典型值為 2.5Ω，漏電流小于 3pA。導通電容為 65pF，因此通道之間的渡越時間典型值為 14ns，帶寬為 90MHz。
TMUX11xx 系列多路復用器有多種配置可供選擇。例如，TMUX1109RSVR 是雙通道 4:1 多路復用器；具有與 TMUX1108PWR 相同的供電范圍和漏電電流規(guī)格，但導通電阻為 1.35Ω（典型值），最大帶寬為 135MHz。該器件具有兩個 4:1 多路復用器，可用作一個 4:1 差分多路復用器或兩個 4:1 單端多路復用器（圖 4）。
這是一個差分四通道數據采集系統(tǒng)的應用示例，其中該系統(tǒng)基于雙通道同步采樣逐次逼近型 ADC。每個 ADC 有四個差分通道。每個 16 位 ADC 的信號采樣率為 3MS/s，幅度高達±3.8V。此類采集系統(tǒng)的應用包括光學、工業(yè)和電機控制。
圖 4：兩個雙通道 4:1 多路復用器的一種應用是四通道差分信號采集系統(tǒng)，其帶寬為 16.45MHz，適用于處理光學、工業(yè)或電機控制信號。（圖片來源：TexasInstruments）
最簡單的多路復用器拓撲是單通道 2:1 多路復用器。這基本上是一個 SPDT 開關。Texas Instruments 的 TMUX1119DCKR 是精密版本的 2:1 多路復用器。其電源范圍和漏電電流規(guī)格與 TMUX11xx 系列的其他成員相同。導通電阻典型值為 1.8Ω，最大帶寬為 250MHz。
2:1 多路復用器有一種應用是使用兩個這樣的器件作為逆轉開關（圖 5）。該電路是一個氣體計量系統(tǒng)，使用差分飛行時間測量值來確定流速。有兩個超聲波變送器放置在一根管道中，相隔距離是已知的。首先測量從一個變送器到另一個變送器的傳播時間，然后逆轉變送器以測量另一個方向上的傳播時間。根據時間差計算管道中的氣體流速。兩個 TMUX1119 多路復用器用于逆轉變送器連接。這是一個多路復用器將信號路由到氣流分析儀輸入的示例。該多路復用器具有超低漏電電流和平坦的導通電阻，因而成為此類應用的出色選擇。
圖 5：原理圖顯示了使用兩個 2:1 多路復用器來逆轉氣流分析儀中一對超聲變送器的連接。（圖片來源：Texas Instruments）
除了各種各樣的多路復用器配置之外，還可以將多個獨立開關封裝到一個 IC 中。以 Texas Instruments 的 TMUX6111RTER 四回路 SPST 開關為例（圖 6）。該器件具有 0.5pA 的超低漏電電流和 800MHz 的帶寬。導通電阻適中，為 120Ω。
圖 6：TMUX611RTER 四回路 SPST 開關包括四個獨立開關，具有極低的漏電電流和 800MHz 帶寬。（圖片來源：Texas Instruments）
這是該產品系列中的三款器件之一，提供四個獨立開關。此版本有四個常開開關。另一個版本有四個常閉開關，而第三個版本是每類開關各有兩個。
本文小結
模擬開關和多路復用器支持多個傳感器共享一個公共模數轉換器，從而在元器件空間、成本和功耗方面帶來極大的經濟性。這些器件還能提供極大的靈活性，可在計算機控制下更改電路連接，無論是共享通信總線還是改變變送器連接都可使用。
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