在進行多傳感器數字化處理或將多個收發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
，避免重複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複用器對輸入進行多路複用。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於通信總線
，每個收發器可以按固定的時間間隔使用總線。

 

模擬開關和多路複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複用器和開關配置，然後介紹 Texas Instruments 的相關解決方案，以展示這些器件的功能和靈活性。然後
，本文會就應用模擬開關和多路複用器實現資源共享提出一些指引。

 

模擬多路複用器

 

多路複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 顯示了四個傳感器通過 4:1 模擬多路複用器連接到公用 ADC。一對邏輯信號 A0 和 A1 控製將哪個傳感器連接到 ADC。由於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。其主要優點是隻需使用一個 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。

 

多路複用器和開關配置

 

模擬多路複用器屬於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複用器配置。開關與模擬多路複用器的不同之處在於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）

 

多路複用器配置為選擇 2N 個輸入中的任何一個
，常用型號是從 2:1 到 16:1。對於每種多路複用器 2N 配置，數字控製線的數量等於 N。因此，8:1 多路複用器需要三條控製線。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) 製造商常常將多個開關裝進單個 IC 封裝中
，並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。另外還有用於射頻 (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特性
，可影響開關觸點變化時發生的操作。如果開關設計為“先合後開”，則意味著初始連接將保持到建立新連接為止。動觸點永遠不會處於開路狀態。相反，“先開後合”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複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，二者並聯連接（圖 3）。

 

圖 3：基本多路複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）

 

並聯布置產生的傳導路徑可以處理任一極性的信號。這種組合還使串聯導通電阻 (ROn) 最小化
，並降低其電壓敏感度。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 的並聯組合會影響帶寬和開關動態特性，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，限製其隔離能力。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。

 

如圖 1 所(suo)示(shi)
，使(shi)用(yong)具(ju)有(you)超(chao)高(gao)輸(shu)入(ru)電(dian)阻(zu)的(de)緩(huan)衝(chong)放(fang)大(da)器(qi)緩(huan)衝(chong)開(kai)關(guan)輸(shu)出(chu)
，可(ke)以(yi)使(shi)開(kai)關(guan)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)的(de)影(ying)響(xiang)降(jiang)至(zhi)最(zui)小(xiao)。該(gai)電(dian)路(lu)配(pei)置(zhi)減(jian)少(shao)了(le)增(zeng)益(yi)損(sun)耗(hao)，並(bing)最(zui)大(da)限(xian)度(du)降(jiang)低(di)了(le)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)變(bian)化(hua)的(de)影(ying)響(xiang)。然(ran)而(er)，漏(lou)電(dian)流(liu)引(yin)起(qi)的(de)補(bu)償(chang)電(dian)壓(ya)可(ke)能(neng)會(hui)增(zeng)加(jia)。這(zhe)裏(li)需(xu)要(yao)在(zai)工(gong)程(cheng)上(shang)進(jin)行(xing)權(quan)衡(heng)，通(tong)常(chang)是(shi)通(tong)過(guo)選(xuan)擇(ze)漏(lou)電(dian)電(dian)流(liu)盡(jin)可(ke)能(neng)小(xiao)的(de)元(yuan)件(jian)來(lai)解(jie)決(jue)。

 

模擬多路複用器和開關解決方案

 

Texas Instruments 的 TMUX1108PWR8:1 多路複用器是旨在與 ADC 配合使用的精密多路複用器的範例。其供電電壓 (VDD) 範圍為 1.08V 至 5V。信號電壓範圍為 0V 至 VDD，支持雙向模擬或數字信號。通道串聯電阻 ROn 的典型值為 2.5Ω，漏電流小於 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 係列多路複用器有多種配置可供選擇。例如，TMUX1109RSVR 是雙通道 4:1 多路複用器
；具有與 TMUX1108PWR 相同的供電範圍和漏電電流規格，但導通電阻為 1.35Ω（典型值），最大帶寬為 135MHz。該器件具有兩個 4:1 多路複用器，可用作一個 4:1 差分多路複用器或兩個 4:1 單端多路複用器（圖 4）。

 

這是一個差分四通道數據采集係統的應用示例，其中該係統基於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。此類采集係統的應用包括光學、工業和電機控製。

 

 

圖 4：兩個雙通道 4:1 多路複用器的一種應用是四通道差分信號采集係統，其帶寬為 16.45MHz，適用於處理光學、工業或電機控製信號。（圖片來源：TexasInstruments）

 

最簡單的多路複用器拓撲是單通道 2:1 多路複用器。這基本上是一個 SPDT 開關。Texas Instruments 的 TMUX1119DCKR 是精密版本的 2:1 多路複用器。其電源範圍和漏電電流規格與 TMUX11xx 係列的其他成員相同。導通電阻典型值為 1.8Ω，最大帶寬為 250MHz。

 

2:1 多路複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gai電dian路lu是shi一yi個ge氣qi體ti計ji量liang係xi統tong，使shi用yong差cha分fen飛fei行xing時shi間jian測ce量liang值zhi來lai確que定ding流liu速su。有you兩liang個ge超chao聲sheng波bo變bian送song器qi放fang置zhi在zai一yi根gen管guan道dao中zhong，相xiang隔ge距ju離li是shi已yi知zhi的de。首shou先xian測ce量liang從cong一yi個ge變bian送song器qi到dao另ling一yi個ge變bian送song器qi的de傳chuan播bo時shi間jian
，然ran後hou逆ni轉zhuan變bian送song器qi以yi測ce量liang另ling一yi個ge方fang向xiang上shang的de傳chuan播bo時shi間jian。根gen據ju時shi間jian差cha計ji算suan管guan道dao中zhong的de氣qi體ti流liu速su。兩liang個ge TMUX1119 duolufuyongqiyongyunizhuanbiansongqilianjie。zheshiyigeduolufuyongqijiangxinhaoluyoudaoqiliufenxiyishurudeshili。gaiduolufuyongqijuyouchaodiloudiandianliuhepingtandedaotongdianzu，yinerchengweicileiyingyongdechusexuanze。

 

 

圖 5：原理圖顯示了使用兩個 2:1 多路複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複用器配置之外，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）

 

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，tigongsigedulikaiguan。cibanbenyousigechangkaikaiguan。lingyigebanbenyousigechangbikaiguan，erdisangebanbenshimeileikaiguangeyouliangge。

 

 

本文小結

 

模擬開關和多路複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
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