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模拟开关和多路复用器的性能与应用

电子设计 来源:郭婷 作者:电子设计 2019-01-25 08:35 次阅读

数据采集系统通常利用模拟开关和多路复用器将来自真实世界传感器和传感器子组件的信号路由到电路板上的电子信号调理和转换阶段。我们试图将电路板布置得尽可能有效地从频繁边缘安装的连接器获取信号到处理电路。但是,当我们在电路板的不同边缘有多个连接器的传感器时,我们可以烧掉整个PCB层,只需路由模拟信号和模拟地,以防止噪声消失。与此相关的是我们可能还想与传感器阵列共享电路。例如,我们可能希望监控和测量机器设计的几个位置的温度。这将需要在设计周围散布许多温度传感器或热敏电阻。由于我们的micro可能在任何时候只将一个模拟信号转换为数字信号,而不是复制信号调理,缩放,偏移和增益级,因此将许多信号切换或多路复用可能更具空间和成本效益。单点指出A/D的条件和路线。通过不使用多条冗余A/D线,这也可以节省引脚受限处理器上的I/O.

本文介绍了模拟开关和多路复用器,这些模拟开关和多路复用器可供工程师在布线和将模拟信号传递到调理电路时在电路板上使用。

基础知识

模拟开关,也称为双向开关,通常在矩阵配置中使用低“导通电阻”FET,一旦晶体管导通至完全饱和,电流就会流过预定义的路径(图1) 。您可以将模拟开关视为机械继电器,除了不使用干触点,硅结(PMOS和NMOS)以电子方式启用或禁用无机械运动部件的传导。

模拟开关和多路复用器的性能与应用

图1:隔离使能P和N MOSFET进入低导通电阻导通。请注意由电源轨夹住的内部保护二极管

因为晶体管是电子的,所以它们不是电子隔离的,因为它们在继电器中。这意味着存在电压和电流限制,并且信号范围必须在模拟开关或多路复用器的正和可能的负电源轨内。对于隔离的高功率或高压开关应用,模拟开关可能不是最佳选择。但是,对于低电平模拟开关,易于使用且成本低廉的模拟开关和多路复用器可以提供很多好处。

应该注意,模拟开关也可用于切换数字信号。因为电流可以通过模拟开关元件双向流动,所以呈现跨导的数字信号可以容易地传递和路由数字信号。这基本上会在数字信号上产生高阻抗条件,让您可以创建自己的三态信号总线。

船上零件

多种系列和类型的模拟开关可作为多源和库存产品使用,这意味着从供应链的角度来看它们是安全的。例如,传统的CMOS 4000系列Quad-SPST双边开关通常可用,包括恩智浦HEF4016BP,652和HEF4066BP,652,但也已使用当前信号标准演变为现代版本。例如,4066可用的现代信号电平直接包括74AHC和74HCT,以及LV,LVC和LVXT版本。 Legacy 4016也是如此。

如上所述的通用开关很常见,但也有专门的开关集成了信号调理。一个典型的例子是极低的串联导通电阻(100毫欧)TI TS3A225ERTER双SPDT开关(图2)。虽然这部分设计用于音频切换,但由于其集成的阈值电平检测器可以在不同的连接器之间切换信号,因此它可能对其他设计很有用。

模拟开关和多路复用器的性能与应用

图2:特殊功能可以将模拟开关与信号调理集成在一起,例如TI TS3A225,它具有阈值电平自动切换功能。注意串行接口

请注意,并非所有具有相同核心部件号的部件都相同。这可能是一个“陷阱”,所以要特别注意。例如,安森美半导体MC14016BDR2G是4000系列4016,与上面的恩智浦部分类似,但恩智浦可以处理-2.25至+ 2.25V双轨电源或高达7.5 V的单轨电源。安森美半导体部分是单轨3 V至18 V部件。虽然在功能上它们是相同的,但它们不是电气的,所以要小心验证零件和第二个源是否完全相同。

多路复用的世界

在指定模拟开关或多路复用器时,有数百个部件,架构和系列可供选择。最好的起点是首先确定缩小该领域的关键参数。例如,低导通电阻或您需要在其间运行的电源轨可能对您至关重要。从那里,您可以检查可用的体系结构。

Maxim MAX1693EUB +开关仅从2.7 V至5.5 V消耗25μA电流。该器件专为USB开关而设计,其低功耗和90mΩ导通电阻对低功耗传感器具有吸引力。对于超低功耗,请查看Vishay quad SPST DG2042DQ-T1-E3的时钟频率为1 nA。在1.8 V至5.5 V范围内工作时,它具有略高的1.5Ω导通电阻。

重要的是要注意,模拟开关和多路复用器并不意味着像继电器那样切换高电平电流。即使某些器件可以处理高电压,例如Maxim MAX14752EUE + 8:1多路复用器(或1:8多路分解器)和Maxim MAX14753EUE +双4:1多路复用器(或双1:4多路分解器)(图3),它们可以使用分离±36 V或单轨+72 V电源(和信号)范围。这些器件还具有先开后合的内部布置,这在这些较高的开关电压水平下特别有用。

模拟开关和多路复用器的性能与应用

图3:这些高压8:1和4:2开关可以处理72 V单轨或分离±36 V双轨信号。注意简单的寻址和启用接口。

请记住,模拟多路复用器本质上也是多路分解器。由于它们的双向性,任何可以用于集中的东西也可以分配。这意味着需要将模拟电平路由到多个目的地的任何应用都可以使用多路复用器作为多路分解器。

从多个到一个,多个到多个

传感器阵列可以通过使用离散SPST和SPDT开关构建自己的多源多路复用器来构建。在某些情况下,传感器组位于电路板周围的不同连接器处,这可能是最好的方法。我们还拥有SP3T,SP4T和SP8T以及DP3T和DP4T架构。但是当许多传感器输入需要路由到一个位置时,集成的多路复用器芯片可能是最好的解决方案,有很多可供选择。

除了我们之前谈到的4:1和8:1部件外,还有16:1部件,例如Intersil DG406DYZ-T和ADI公司ADG526AKRZ。还有交叉点开关阵列。虽然对于大多数源/目的地类型的传感器阵列可能不需要交叉点开关,但是可能存在一些高可靠性和冗余系统,其中这些可以派上用场。

交换机和多路复用器一样,交叉点交换机有多种架构,从双2x2,4x4和8x8,一直到40 x 40.虽然这些可能比你需要的多,但它们很高兴知道为了以防万一。

结论

模拟开关和多路复用器可以很好地隔离和传递我们的传感器,音频或其他模拟系统接口的线性信号。无论是用于选择要查看的信号还是用于切换校准级别以获得更高的精度,模拟开关都已经并将在我们的设计中使用。

当存在这么多可能性时,找到正确部分的关键是一个很好的参数搜索引擎,例如在Digi-Key网站上找到的搜索引擎。这可以大大加快部分搜索速度,并提供最佳的成本/性能水平。

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