TMUX7436F：工业应用中的高性能模拟多路复用器

在工业自动化和控制领域，对于能够在复杂环境下稳定工作的模拟多路复用器的需求日益增长。TI推出的TMUX7436F正是这样一款满足严苛工业环境要求的器件，下面我们就来详细了解一下它。

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一、器件概述

TMUX7436F是一款具有闩锁免疫功能的44V故障保护型2:1、2通道模拟多路复用器。它的供电方式非常灵活，支持±5 V至±22 V的双电源、8 V至44 V的单电源，甚至像(V{DD}=15 V)、(V{SS}=-5 V)这样的非对称电源也能适用。其源引脚的过压保护功能在通电和断电条件下均能工作，这使得它在恶劣的工业环境中也能稳定运行。

二、关键特性

2.1 扁平导通电阻

TMUX7436F采用特殊的开关架构，在大部分开关输入操作区域内实现了超扁平的导通电阻（(R{ON})）。这种特性使得该器件在精密传感器应用中表现出色，因为无论采样信号如何变化，(R{ON})都能得到有效控制。而且，该架构无需电荷泵，避免了产生不必要的噪声影响采样精度。

2.2 多重保护特性

• 输入电压容限：任何源输入引脚可承受的最大电压为+60 V或 - 60 V，不受电源电压的影响，能应对工业应用中的典型电压故障情况。不过要注意，不同引脚之间的最大应力为85 V，比如源引脚与电源轨之间、源引脚与漏极引脚之间。
• 断电保护：当电源移除（如电源浮空、接地或低于欠压阈值）时，器件的源（Sx）引脚保持高阻抗状态，源和漏极引脚的泄漏性能仍在规定范围内。这一特性消除了对系统电源排序的控制需求，简化了系统设计，同时防止输入源引脚上的错误电压影响系统其他部分。但需要注意的是，必须始终存在GND参考以确保正常运行，在断电状态下，源和漏极电压可达±60 V。
• 故障安全逻辑：故障安全逻辑电路允许在电源引脚之前施加逻辑控制引脚的电压，保护器件免受潜在损坏。开关在任何逻辑信号状态下都被指定为关断状态。在断电条件下，逻辑输入能承受高达+44 V的正向故障，但不提供负向过压保护。此外，在正常操作中，逻辑控制引脚可与高于(V_{DD})的电压接口，增加了系统设计的灵活性。
• 过压保护和检测：通过比较源引脚（Sx）与电源（(V{DD})和(V{SS})）的电压来检测过压输入。当信号超过电源电压一个阈值电压（(V{T})）时，开关自动关断，源引脚变为高阻抗，仅有小泄漏电流通过。漏极引脚（Dx）的行为可通过控制漏极响应（DR）引脚来调整：DR引脚浮空或驱动高于(V{IH})时，漏极引脚在过压故障时变为高阻抗；DR驱动低于(V_{IL})时，若通道处于过压故障且被逻辑控制选中，漏极引脚通过40 kΩ电阻拉至超过的电源。
• 相邻通道故障操作：当逻辑引脚设置为处于故障的通道时，过压检测触发，开关打开，漏极引脚按上述过压保护规则操作。此时，其他无故障的通道仍可正常工作。
• ESD保护：所有引脚支持高达±6 kV的人体模型（HBM）ESD保护水平，防止器件在制造过程中因ESD事件损坏。漏极引脚有内部ESD保护二极管连接到电源(V{DD})和(V{SS})，源引脚有专门的ESD保护，允许信号电压达到±60 V，但超过此值可能损坏ESD保护电路。
• 闩锁免疫：通过特殊的器件结构，TMUX7436F具有闩锁免疫能力。闩锁是指在电源引脚和地之间形成低阻抗路径的情况，一旦触发，即使触发因素消失，低阻抗路径仍会存在，可能导致系统故障或灾难性损坏。而该器件采用基于绝缘体上硅（SOI）的工艺，在每个CMOS开关的PMOS和NMOS晶体管之间添加了氧化层，防止寄生结构形成，避免了闩锁现象的发生。

2.3 过压故障标志

TMUX7436F持续监测源输入引脚的电压，通过一个低电平有效的通用故障标志（FF）指示是否发生过压情况。FF引脚的电压表明是否有任何源输入引脚处于过压状态。而特定故障（SF）输出引脚可用于解码哪个输入引脚正在经历过压情况。FF和SF引脚均为开漏输出，建议使用1 kΩ的外部上拉电阻，上拉电压范围为1.8 V至5.5 V。

2.4 双向操作

该器件从源（Sx）到漏极（Dx）或从漏极（Dx）到源（Sx）的导通性能相同。不过，过压保护仅在源（Sx）侧实现，漏极电压只能在(V{DD})和(V{SS})之间摆动，无过压保护。其最平坦的导通电阻区域从(V{SS})延伸到大约比(V{DD})低3 V的范围，当信号接近(V_{DD})的3 V范围内时，导通电阻会指数级增加，可能影响信号传输。

2.5 1.8 V逻辑兼容输入

TMUX7436F的所有逻辑控制输入都支持1.8 V逻辑电平，这使得它能够与具有较低逻辑I/O轨的处理器接口，无需外部转换器，节省了空间和物料清单（BOM）成本。

2.6 逻辑引脚集成下拉电阻

器件的逻辑引脚具有内部弱下拉电阻至GND，确保逻辑引脚不会浮空。该下拉电阻值约为4 MΩ，在较高电压下会钳位到约1 µA，这一特性集成了多达四个外部组件，减小了系统尺寸和成本。

三、电气特性

3.1 导通电阻

导通电阻（(R{ON})）随输入电压和电源电压变化。典型值为8.6 Ω，不同电源条件下，其在一定电压范围内的平坦度表现良好。例如，在双电源和单电源的不同电压组合下，(R{ON})在特定的源或漏极电压范围内变化较小，这对于保持信号传输的稳定性非常重要。

3.2 泄漏电流

包括关断状态下的源泄漏电流（(I{S(OFF)})）和漏极泄漏电流（(I{D(OFF)})），以及导通状态下的源泄漏电流（(I{S(ON)})）和漏极泄漏电流（(I{D(ON)})）。在不同的电源电压和温度条件下，泄漏电流都能保持在较小的范围内，确保了器件的低功耗和高可靠性。

3.3 开关特性

• 使能延迟时间：(t{ON(EN)})是EN信号超过50%阈值后，输出上升到最终值的90%所需的时间；(t{OFF(EN)})是EN信号超过50%阈值后，输出下降到初始值的10%所需的时间。不同温度和测试条件下，这两个时间有一定的范围。
• 先断后通延迟：TMUX7436F的开关具有先断后通的安全特性，ON开关先断开连接，然后OFF开关再建立连接，两者之间的时间延迟称为先断后通延迟（(t_{BBM})）。
• 过渡时间：指选择信号（SELx）上升或下降到50%过渡后，输出上升到90%过渡或下降到10%过渡所需的时间（(t_{TRAN})）。
• 故障响应和恢复时间：故障响应时间（(t{RESPONSE})）测量源电压超过电源电压0.5 V到漏极电压下降到最大输出电压的50%之间的延迟；故障恢复时间（(t{RECOVERY})）测量源电压从过压状态下降到低于电源电压加0.5 V到漏极电压从0 V上升到最终输出电压的50%之间的延迟。此外，还有故障标志响应时间（(t{RESPONSE(FLAG)})）和故障标志恢复时间（(t{RECOVERY(FLAG)})）。

3.4 其他特性

• 电荷注入：逻辑引脚切换时，从逻辑输入传递到信号路径的毛刺脉冲的度量（(Q_{INJ})）。
• 关断隔离：当信号施加到关断通道的源引脚时，漏极引脚信号的比值。
• 串扰：包括通道内串扰（(X{TALK(INTRA)})）和通道间串扰（(X{TALK(INTER)})）。
• 带宽：输入施加到导通通道的源引脚，输出在漏极引脚测量时，衰减小于3 dB的频率范围（(BW)）。
• 总谐波失真加噪声：信号的总谐波失真（THD）是所有谐波分量功率之和与基频功率的比值，加上噪声后称为THD + N。

四、应用场景

4.1 工业自动化和控制

在工厂自动化和控制领域，TMUX7436F可用于可编程逻辑控制器（PLC）的模拟输入模块。它能够处理多个传感器的输入信号，同时保护下游组件免受高达±60 V的过压事件影响。例如，在一个PLC系统中，需要监测多个远程传感器的信号，TMUX7436F可以将这些传感器的信号进行切换和选择，传递给后续的处理电路。当出现错误接线、组件故障等情况导致过压时，它能及时切断故障通道，保护系统安全。

4.2 半导体和电池测试设备

在半导体和电池测试设备中，需要对不同的信号进行精确测量和切换。TMUX7436F的扁平导通电阻和低泄漏电流特性，能够确保信号的准确传输和测量。同时，其过压保护功能可以防止测试过程中可能出现的电压异常对设备造成损坏。

4.3 数据采集系统（DAQ）

DAQ系统通常需要采集多个模拟信号，TMUX7436F可以作为信号切换器，选择不同的输入信号进行采集。其灵活的供电方式和高可靠性，使其能够适应不同的DAQ系统设计需求。

五、设计注意事项

5.1 电源供应

使用时要注意电源的稳定性，建议在(V{DD})和(V{SS})引脚与地之间使用1 µF至10 µF的去耦电容，以提高电源的抗噪声能力。同时，要确保在电源启动前先建立好接地连接。

5.2 PCB布局

• 去耦电容应尽可能靠近(V{DD})和(V{SS})引脚放置，且电容的电压额定值要满足电源要求。如果系统噪声较大，可以使用多个去耦电容，如0.1 µF和1 µF的电容，将最低值的电容靠近电源引脚放置。
• 输入线要尽量短，以减少信号干扰。
• 使用实心接地平面，有助于散热和减少电磁干扰（EMI）噪声的拾取。
• 避免敏感的模拟走线与数字走线平行，尽量减少数字和模拟走线的交叉，必要时采用垂直交叉。

六、总结

TMUX7436F凭借其丰富的保护特性、出色的电气性能和灵活的应用场景，成为工业应用中模拟多路复用器的理想选择。在设计过程中，我们需要充分考虑其特性和设计注意事项，以确保系统的稳定性和可靠性。希望各位工程师在实际应用中能够充分发挥TMUX7436F的优势，设计出更优秀的工业控制系统。大家在使用过程中遇到过哪些问题或者有什么独特的应用经验，欢迎在评论区分享交流。