Spara utrymme, kostnad och effekt med hjälp av analoga multiplexrar och omkopplare för att dela resurser

Designers utmanas ofta med att hitta det mest kostnads-, effekt- och utrymmeseffektiva sättet att digitalisera flera sensorer eller dirigera flera sändtagare till en gemensam kommunikationsbuss. Lösningen är att dela gemensamma resurser för att undvika dubbletter av hela signalkedjor och deras tillhörande komponenter.

Det här åstadkoms genom multiplexning av inmatningar med hjälp av analoga multiplexrar. De kan binda flera sensorer till inmatningen för en analog-till-digitalomvandlare och sin tur digitalisera varje transduktor. Samma metod kan tillämpas på kommunikationsbussar, där varje sändtagare kan dela buss i ett fast tidsintervall.

Huvudegenskaperna för analoga omkopplare och multiplexrar är att de både har dubbelriktade vägar mellan in- och utgång, och de har även hög signalintegritet med minimal överhörning och läckström.

I den här artikeln beskrivs analoga multiplexrar och brytarkonfigurationer. Därefter introduceras lämpliga lösningar från Texas Instruments som visar de här enheternas funktioner och flexibilitet. Det ges även insikter om tillämpningen av analoga omkopplare och multiplexrar för att dela resurser.

Analoga multiplexrar

En multiplexer är en elektronisk omkopplare som selektivt ansluter flera ingångskällor till en gemensam utgångslinje (figur 1).

Figur 1: Diagram över typisk tillämpning med analog multiplexer, där en 4:1-multiplexer används för att sekventiellt digitalisera de analoga utgångarna för fyra sensorer. Det binära tillståndet för de logiska signalerna A0 och A1 fastställer vilken ingång som är ansluten till A/D-omvandlaren. (Bildkälla: Texas Instruments)

Figur 1 visar fyra sensorer anslutna via en analog 4:1-multiplexer till en gemensam A/D-omvandlare. Ett par logiska signaler, A0 och A1, styr vilken sensor som är ansluten till A/D-omvandlaren. Eftersom sensorerna rapporterar fysiska egenskaper som inte ändras snabbt med tiden utgör inte sekventiell sampling någon risk för dataförlust. Huvudfördelen är minskningen av det totala antalet delar genom att bara använda en enda A/D-omvandlare och tillhörande kretsar för alla fyra sensorer, och därigenom minska den totala kostnaden för designen.

Multiplexer- och omkopplarkonfigurationer

Analoga multiplexrar är en del av en bredare kategori elektroniska omkopplare som är tillgängliga i ett större antal konfigurationer, enligt figur 2.

Figur 2: Diagram över konfigurationer med gemensam omkopplare och multiplexer. Omkopplare skiljer sig från analoga multiplexrar i att utgångarna inte binds ihop. De kan dirigeras oberoende av varandra. (Bildkälla: DigiKey)

Multiplexrar är konfigurerade att välja någon av 2^N-ingångarna med gemensamt tillgängliga modeller, från 2:1 till 16:1. För varje multiplexer 2^N-konfiguration är antalet digital kontrolledningar lika med N. En 8:1-multiplexer behöver alltså tre kontrolledningar. Omkopplarkonfigurationer beskrivs med antalet ingångar eller ”poler” och antalet utgångar eller ”kopplingsmöjligheter”. En SPST-omkopplare (single-pole single-throw – en pol, en kopplingsmöjlighet) har en ingång och en utgång. En SPDT-omkopplare (single-pole double-throw – en pol, två kopplingsmöjligheter) har en ingång och två utgångar. Tillverkare av IC-kretsar paketerar ofta flera omkopplare i ett enda IC-paket och beskriver de flera omkopplarna som att de har flera kanaler, till exempel den fyrkanaliga SPST-omkopplaren som visas i figur 2.

SPST- och SPDT-omkopplare är de två vanligaste omkopplarkonfigurationerna. Det finns även SP3T-omkopplare (single-pole three-throw – en pol, tre kopplingsmöjligheter) och SP4T-omkopplare (single-pole four-throw – en pol, fyra kopplingsmöjligheter) som används i radiofrekvenstillämpningar (RF).

Omkopplare kan utformas att ha specifika egenskaper som påverkar vad som händer när omkopplarkontakter ändras. Om omkopplaren är designad för ”slutning för brytning” betyder det att den första anslutningen behålls tills den nya anslutningen görs. Kontakten som flyttas ser aldrig ett öppet tillstånd. Å andra sidan bryter en omkopplare av typen ”brytning före slutning” den ursprungliga anslutningen innan en ny görs, så att inga angränsande kontakter kortsluts.

CMOS-omkopplare

De mest aktuella konstruktionerna med analoga omkopplare och multiplexrar använder CMOS-fälttransistorer (CMOS-FET). En representativ bilateral omkopplare använder två komplementära CMOS-FET-enheter, en N-kanal- och en P-kanalenhet, anslutna parallellt (figur 3).

Figur 3: Diagram över grundläggande multiplexer/omkopplare-element och dess motsvarande krets. Komplementära FET-enheter tillåter bilateral drift så att signaler kan kopplas i valfri riktning. (Bildkälla: DigiKey)

Den parallella anordningen producerar en ledningsväg som kan hantera signaler från vardera polaritet. Den här kombinationen minimerar även seriens resistans i påslaget läge (R_On) och minskar dess spänningskänslighet. De betydande elementen för den motsvarande kretsen är R_On och kanalkapacitansen, C_D.

Resistansen i påslaget läge tillsammans med källresistansen, R_Source, och belastningsresistansen, R_Load, påverkar förstärkningen för omkopplaren när den är stängd. Resistansen i påslaget läge varierar med den tillämpande signalspänningen. Resistansen i påslaget läge och den parallella kombinationen av C_D och belastningskapacitans C_Load påverkar bandbredden och omkopplingsdynamiken, primärt omkopplingstiden. I allmänhet bör designers titta på både R_On och C_D. Det finns även läckström i signalvägen som påverkar likströmsförskjutningen.

När omkopplaren är öppen ger genomföringskapacitansen, C_F, en väg runt omkopplaren, vilket begränsar dess isoleringsförmåga. När omkopplaren stängs delas laddningen mellan källkapacitansen, C_S, och kanalen och belastningskapacitanser, vilket resulterar i omkopplingstransientspänning.

Som visas i figur 1 kan effekterna av en omkopplares resistans i påslaget läge minimeras genom buffring av omkopplarutgången med en buffertförstärkare som har en mycket hög ingångsresistans. Den här kretskonfigurationen minskar förstärkningsförlusten och minimerar effekterna av variationen i resistans i påslaget läge. Men den kan öka förskjutningsspänningen på grund av läckströmmen. Det finns en konstruktionskompromiss här som normalt löses genom att välja komponenter med minimal möjlig läckström.

Lösningar med analoga multiplexrar och omkopplare

Texas Instruments TMUX1108PWR 8:1-multiplexer är ett exempel på en precisionsmultiplexer avsedd att kopplas samman med en A/D-omvandlare. Den har en matningsspänning (V_DD) i intervallet 1,08 till 5 volt. Signalspänningen kan sträcka sig från 0 volt till V_DD, med stöd för dubbelriktade analoga eller digitala signaler. Kanalserieresistansen, R_On, är normalt 2,5 Ohm (Ω) och läckströmmen är mindre än 3 pikoampere (pA). På-kapacitansen är 65 pF, vilket resulterar i en övergångstid mellan kanaler på normalt 14 nanosekunder (ns) och en bandbredd på 90 megahertz (MHz).

Det finns ett antal tillgängliga konfigurationer i TMUX11xx-serien multiplexrar. Till exempel är TMUX1109RSVR en dubbelkanalig 4:1-multiplexer. Den har samma strömförsörjningsintervall och läckströmspecifikationer som TMUX1108PWR men har en resistans i påslaget läge på 1,35 Ω (normalt) och en maximal bandbredd på 135 MHz. Enheten har två 4:1-multiplexrar, som kan användas som en 4:1-differentialmultiplexer eller som två 4:1-enledarmultiplexrar (figur 4).

Det här är ett tillämpningsexempel på ett differentiellt fyrkanaligt datainsamlingssystem baserat på en dubbel A/D-omvandlare med simultansampling och successiv approximation. Det finns fyra differentialkanaler per A/D-omvandlare. Varje 16-bitars A/D-omvandlare har en samlingshasthet på 3 megasampel per sekund (MS/s) för signaler med amplituder på upp till ±3,8 volt. Tillämpningar för den här typen av insamlingssystem är till exempel optisk styrning, industriell styrning och motorstyrning.

Figur 4: En tillämpning för två dubbla 4:1-multiplexrar är en fyrkanaligt differentiell signalmottagningssystem med en bandbredd på 16,45 MHz avsett för hantering av signaler för optisk styrning, industriell styrning och motorstyrning. (Bildkälla: Texas Instruments)

Den enklaste multiplexertopologin är en enkanalig 2:1-multiplexer. Det är i grunden en SPDT-omkopplare. Texas Instruments TMUX1119DCKR är en precisionsversion av en 2:1-multiplexer. Den har samma strömförsörjningsintervall och läckström som de andra enheterna i TMUX11xx-serien. Dess resistans i påslaget läge är normalt 1,8 Ω och dess maximala bandbredd är 250 MHz.

Bland tillämpningarna för 2:1-multiplexern finns att använda två av dem som en omkastningsomkopplare (figur 5). Kretsen är för ett gasmätningssystem som använder differentiella Time-of-Flight-mätningar för att fastställa flödeshastigheten. Det finns två ultraljudstransduktorer placerade i ett rör med ett känt avstånd från varandra. Utbredningstiden från en transduktor till den andra mäts och sedan kastas transduktorerna om för att mäta utbredningstiden i den andra riktningen. Flödeshastigheten för gasen i röret beräknas utifrån tidsskillnaden. Två TMUX1119-multplexrar används för att kasta om transduktoranslutningarna. Det här är ett exempel på multiplexerdirigeringssignaler till ingångarna för gasflödesanalystatorn. Den ultralåga läckströmmen och flatheten hos multiplexerns resistans i påslaget läge gör den till ett utmärkt val för den här tillämpningen.

Figur 5: Schemat visar användningen av 2:1-multiplexrar för att kasta om anslutningarna på ett par ultraljudstransduktorer i en gasflödesanalysator. (Bildkälla: Texas Instruments)

Utöver dessa olika multiplexerkonfigurationer kan flera oberoende omkopplare paketeras i en enda IC-krets. Överväg Texas Instruments TMUX6111RTER SPST-omkopplare med fyra kretsar (figur 6). Den här enheten har en mycket låg läckström på 0,5 pA och en bandbredd på 800 MHz. Resistansen i påslaget läge är måttliga 120 Ω.

Figur 6: TMUX611RTER SPST-omkopplaren med fyra kretsar innehåller fyra oberoende omkopplare med mycket låg läckström och en bandbredd på 800 MHz. (Bildkälla: Texas Instruments)

Det här är en av tre enheter i den här produktserien med fyra oberoende omkopplare. Den här versionen har fyra normalt öppna omkopplare. En annan version har fyra normalt stängda omkopplare, medan en tredje version levereras med två omkopplare av vardera typ.

Slutsats

Analoga omkopplare och multiplexrar är ekonomiskt fördelaktiga när det gäller komponentutrymme, kostnad och effekt genom att de tillåter att flera sensorer delar en gemensam analog-till-digitalomvandlare. De ger även en hel del flexibilitet i att ändra kretsanslutningar under datorstyrning, oavsett om det gäller delning av kommunikationsbussar eller byta transduktoranslutningar.