在進(jìn)行多傳感器數字化處理或將多個(gè)收發(fā)器連接到公用通信總線(xiàn)時(shí)，設計人員常常很難找到最有效的節省成本、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(gè)信號鏈及其相關(guān)元器件。

 

實(shí)現辦法是利用模擬多路復用器對輸入進(jìn)行多路復用。這樣便可將多個(gè)傳感器連接到一個(gè)模數轉換器 (ADC) 的輸入，由其依次對每個(gè)傳感器進(jìn)行數字化處理。同樣的方法也可應用于通信總線(xiàn)，每個(gè)收發(fā)器可以按固定的時(shí)間間隔使用總線(xiàn)。

 

模擬開(kāi)關(guān)和多路復用器的關(guān)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(shuō)明模擬多路復用器和開(kāi)關(guān)配置，然后介紹 Texas Instruments 的相關(guān)解決方案，以展示這些器件的功能和靈活性。然后，本文會(huì )就應用模擬開(kāi)關(guān)和多路復用器實(shí)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(gè)輸入源選擇性地連接到公用輸出線(xiàn)的電子開(kāi)關(guān)（圖 1）。

圖 1 顯示了四個(gè)傳感器通過(guò) 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(gè)傳感器連接到 ADC。由于傳感器報告的物理特性不會(huì )隨時(shí)間快速變化，因此順序采樣不會(huì )造成數據丟失的風(fēng)險。其主要優(yōu)點(diǎn)是只需使用一個(gè) ADC 和相關(guān)電路便能處理所有四個(gè)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(kāi)關(guān)配置

 

模擬多路復用器屬于更廣泛的電子開(kāi)關(guān)類(lèi)別，可提供如圖 2 所示的大量配置。

 

圖 2： 一些常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)和多路復用器配置。開(kāi)關(guān)與模擬多路復用器的不同之處在于前者的輸出沒(méi)有連接在一起，可以獨立選擇路線(xiàn)。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

 

多路復用器配置為選擇 2N 個(gè)輸入中的任何一個(gè)，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(xiàn)的數量等于 N。因此，8:1 多路復用器需要三條控制線(xiàn)。開(kāi)關(guān)配置由輸入（或“刀”）的數量及輸出（或“擲”）的數量來(lái)描述。單刀單擲 (SPST) 開(kāi)關(guān)具有一路輸入和一路輸出。單刀雙擲 (SPDT) 開(kāi)關(guān)具有一路輸入和兩路輸出。集成電路 (IC) 制造商常常將多個(gè)開(kāi)關(guān)裝進(jìn)單個(gè) IC 封裝中，并將這些開(kāi)關(guān)描述為具有多個(gè)通道，如圖 2 所示的四通道 SPST 開(kāi)關(guān)。

 

SPST 和 SPDT 開(kāi)關(guān)是兩種最常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)。

 

開(kāi)關(guān)可設計為具有特定的動(dòng)態(tài)特性，可影響開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)變化時(shí)發(fā)生的操作。如果開(kāi)關(guān)設計為“先合后開(kāi)”，則意味著(zhù)初始連接將保持到建立新連接為止。動(dòng)觸點(diǎn)永遠不會(huì )處于開(kāi)路狀態(tài)。相反，“先開(kāi)后合”開(kāi)關(guān)會(huì )先切斷原始連接，再建立新連接，這樣相鄰觸點(diǎn)就不會(huì )短路。

 

CMOS 開(kāi)關(guān)

 

當前大多數模擬開(kāi)關(guān)和多路復用器設計采用互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 場(chǎng)效應晶體管 (FET)。代表性的雙向開(kāi)關(guān)元件采用兩個(gè)互補 CMOS FET：一個(gè) N 溝道器件和一個(gè) P 溝道器件，二者并聯(lián)連接（圖 3）。

 

圖 3：基本多路復用器開(kāi)關(guān)元件及其等效電路?；パa FET 支持雙向操作，可以在任一方向上切換信號。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

 

并聯(lián)布置產(chǎn)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(kāi)關(guān)閉合時(shí)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(huì )影響帶寬和開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)特性，主要是開(kāi)關(guān)時(shí)間。一般而言，設計人員應力求讓 ROn 和 CD 最小化。同時(shí)還會(huì )有漏電電流進(jìn)入信號路徑，影響直流 (DC) 偏移。

 

當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，饋通電容 CF 會(huì )在開(kāi)關(guān)周?chē)峁┮粭l路徑，限制其隔離能力。在開(kāi)關(guān)閉合期間，源電容 CS 與溝道和負載電容共享電荷，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)輸出，可以使開(kāi)關(guān)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(huì )增加。這里需要在工程上進(jìn)行權衡，通常是通過(guò)選擇漏電電流盡可能小的元件來(lái)解決。

 

模擬多路復用器和開(kāi)關(guān)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(shí)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(gè) 4:1 多路復用器，可用作一個(gè) 4:1 差分多路復用器或兩個(gè) 4:1 單端多路復用器（圖 4）。

 

這是一個(gè)差分四通道數據采集系統的應用示例，其中該系統基于雙通道同步采樣逐次逼近型 ADC。每個(gè) ADC 有四個(gè)差分通道。每個(gè) 16 位 ADC 的信號采樣率為 3MS/s，幅度高達±3.8V。此類(lèi)采集系統的應用包括光學(xué)、工業(yè)和電機控制。

 

 

圖 4：兩個(gè)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，其帶寬為 16.45MHz，適用于處理光學(xué)、工業(yè)或電機控制信號。（圖片來(lái)源：TexasInstruments）

 

最簡(jiǎn)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(gè) SPDT 開(kāi)關(guān)。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(gè)這樣的器件作為逆轉開(kāi)關(guān)（圖 5）。該電路是一個(gè)氣體計量系統，使用差分飛行時(shí)間測量值來(lái)確定流速。有兩個(gè)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(gè)變送器到另一個(gè)變送器的傳播時(shí)間，然后逆轉變送器以測量另一個(gè)方向上的傳播時(shí)間。根據時(shí)間差計算管道中的氣體流速。兩個(gè) TMUX1119 多路復用器用于逆轉變送器連接。這是一個(gè)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(lèi)應用的出色選擇。

 

 

圖 5：原理圖顯示了使用兩個(gè) 2:1 多路復用器來(lái)逆轉氣流分析儀中一對超聲變送器的連接。（圖片來(lái)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(gè)獨立開(kāi)關(guān)封裝到一個(gè) IC 中。以 Texas Instruments 的 TMUX6111RTER 四回路 SPST 開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)包括四個(gè)獨立開(kāi)關(guān)，具有極低的漏電電流和 800MHz 帶寬。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

 

這是該產(chǎn)品系列中的三款器件之一，提供四個(gè)獨立開(kāi)關(guān)。此版本有四個(gè)常開(kāi)開(kāi)關(guān)。另一個(gè)版本有四個(gè)常閉開(kāi)關(guān)，而第三個(gè)版本是每類(lèi)開(kāi)關(guān)各有兩個(gè)。

 

 

本文小結

 

模擬開(kāi)關(guān)和多路復用器支持多個(gè)傳感器共享一個(gè)公共模數轉換器，從而在元器件空間、成本和功耗方面帶來(lái)極大的經(jīng)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(wú)論是共享通信總線(xiàn)還是改變變送器連接都可使用。