Klíčovou vlastností analogových multiplexorů je to, že nabízí obousměrné cesty mezi vstupy a výstupy a mají vysokou integritu signálu s minimálními přeslechovými a svodovými proudy. Tento článek popisuje analogové multiplexory a jejich typy. Ukážeme si řešení od společnosti Texas Instruments, které demonstrují možnosti a flexibilitu.

Analogové multiplexory

Multiplexor je elektronický přepínač, který selektivně připojuje více vstupních zdrojů ke společné výstupní lince (obrázek 1).

Obrázek 1: Typická aplikace analogového multiplexoru používající multiplexor 4: 1 pro sekvenční digitalizaci analogových výstupů čtyř senzorů. Binární stav logických signálů A0 a A1 určuje, který vstup je připojen k ADC. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Obrázek 1 ukazuje čtyři senzory připojené přes analogový multiplexor 4: 1 k běžnému ADC. Dvojice logických signálů A0 a A1 řídí, který senzor je právě připojen k ADC. Protože senzory poskytují informace, které se časem rychle nemění, nepředstavuje sekvenční vzorkování žádné riziko ztráty dat. Hlavním přínosem je snížení celkového počtu součástek. Je použit pouze jeden ADC převodník pro všechny čtyři senzory. Tím se sníží celkové náklady na design.

Typy multiplexorů a přepínačů

Analogové multiplexory jsou součástí kategorie elektronických přepínačů. K dispozici jsou v různých konfiguracích, jak jsou znázorněny na obrázku 2.

Obrázek 2: Běžné typy přepínačů a multiplexorů. Přepínače se liší od analogových multiplexorů vo tom, že výstup není jen jeden, ale pro každý vstup existuje alespoň jeden výstup. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)

Multiplexory jsou konfigurovány pro výběr jakéhokoli z 2^N vstupů – běžně v rozsahu 2: 1 do 16: 1. Platí, že počet digitálních řídících linek se rovná číslu N. Takže multiplexor 8: 1 potřebuje tři řídicí linky.

Konfigurace přepínačů se označují počtem vstupů (poles) a počtem výstupů (throws). Přepínač SPST - single-pole single-throw má jeden vstup a jeden výstup. Přepínač SPDT má jediný vstup a dva výstupy. Výrobci integrovaných obvodů často integrují více přepínačů do jediného pouzdra IC, jako je čtyřkanálový přepínač SPST zobrazený na obrázku 2.

Přepínače SPST a SPDT jsou dva nejčastější typy přepínačů. Existují také typy SP3T(single-pole three-throw) a SP4T(single-pole four-throw), které se používají v RF aplikacích.

Přepínače mohou být navrženy tak, aby měly specifické dynamické vlastnosti. Pokud je přepínač navržen jako „make before break“, znamená to, že první připojení bude zachováno, dokud nebude vytvořeno nové připojení. Pohyblivý kontakt se nikdy nedostane do stavu, kdy není sepnut žádný vstup/výstup. Opačně pracuje přepínač „break before make“. Ten odpojí původní připojení a pak vytvoří nové. Tím je zaručeno, že nedojde k nežádoucím zkratům kontaktů.

CMOS přepínače

Většina současných návrhů analogových přepínačů a multiplexorů používá komplementární polovodičové pole s kovovým oxidem (CMOS) s tranzistory (FET). Reprezentativní dvoustranný přepínací prvek používá dva komplementární FET tranzistory, N-kanál a P-kanál zapojený paralelně (obrázek 3).

Obrázek 3: Základní multiplexní spínací prvek a jeho ekvivalentní obvod. FET tranzistory umožňují bilaterální provoz, takže mohou přepínat signály v obou směrech. (Zdroj obrázku: Digi-Key Electronics)

Paralelní uspořádání vytváří vodivou dráhu, která dokáže zpracovat signály v obou směrech. Tato kombinace také minimalizuje sériový odpor R_On a snižuje citlivost na napětí. Významnými prvky ekvivalentního obvodu jsou R_On a kanálová kapacita C_D.

R_On, R_Source a odpor zátěže R_Load ovlivňuje zisk spínače v sepnutém stavu. Odpor se také mění v závislosti na použitém napětí signálu. R_On a paralelní kombinace kapacity C_D a C_Load ovlivňují šířku pásma, dynamiku přepínání, a především dobu přepínání. Obecně je cílem minimalizovat R_On i C_D. Do signální dráhy se také promítne svodový proud, který ovlivňuje DC offset.

Jak je znázorněno na obrázku 1, účinky odporu R_On přepínače lze minimalizovat pomocí vyrovnávacího zesilovače, který má velmi vysoký vstupní odpor. Tato konstrukce snižuje ztráty zisku a minimalizuje kolísání odporu. Může však zvýšit kompenzované napětí v důsledku svodového proudu. To se obvykle řeší výběrem součástek s minimálním svodovým proudem.

Analogové multiplexory a přepínače v praxi

TMUX1108PWR 8:1  od Texas Instruments je příkladem přesného multiplexoru určeného k propojení s ADC převodníkem. Rozsah napájecího napětí (VDD) se pohybuje od 1,08V do 5 V. Napětí signálu se může pohybovat od 0 V do VDD s podporou obousměrných analogových nebo digitálních signálů. Odpor kanálů R_On je obvykle 2.5 Ω a svodový proud je menší než 3 pA. Kapacita je 65 pF a to má za následek, že doba přechodu mezi kanály je 14 ns a šířka pásma je 90MHz.

V řadě multiplexorů TMUX11xx je k dispozici celá řada konfigurací. Například TMUX1109RSVR je duální multiplexor 4: 1. Má stejný rozsah napájení jako TMUX1108PWR, ale odpor R_On je 1,35 Ω a maximální šířka pásma je 135 MHz. Obsahuje dva multiplexory 4: 1, které lze použít jako diferenciální nebo jako dva samostatné multiplexory(obrázek 4).

Příklad aplikace diferenciálního čtyřkanálového systému ke sběru dat založeného na duálním simultánním vzorkování postupné aproximace ADC je právě na obrázku 4. Na ADC jsou čtyři diferenciální kanály. Každý 16bitový ADC má vzorkovací frekvenci 3 MS/s pro signály s amplitudami až ± 3,8 voltů. To je vhodné pro optické, průmyslové a motorové řízení.

Obrázek 4: Aplikace se dvěma duálními multiplexory 4: 1 je čtyřkanálový systém pro získávání diferenciálního signálu se šířkou pásma 16,45 MHz určený pro manipulaci s optickými, průmyslovými, řídicí signály motoru. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Nejjednodušším typem multiplexoru je jednokanálový multiplexor 2: 1. Jedná se v podstatě o přepínač SPDT. TMUX1119DCKR je přesná verze multiplexoru 2: 1. Má stejný rozsah napájení a svodový proud jako ostatní členové rodiny TMUX11xx. Jeho odpor je obvykle 1,8 Ω a jeho maximální šířka pásma je 250 MHz. Multiplexor 2: 1 se obvykle používá jako přepínač zpětného chodu (obrázek 5).

Obvod je měřicí systém plynu, který používá diferenciální měření doby k určení rychlosti proudění. V trubce jsou umístěny dva ultrazvukové snímače ve známé vzdálenosti od sebe. Měří se doba propagace z jednoho převodníku do druhého. Transducery jsou obráceny, aby se změřila doba propagace v opačném směru. Rychlost proudění plynu v potrubí se počítá z časového rozdílu. Dva multiplexory TMUX1119 se používají k obrácení připojení transducerů. Toto je příklad směrování signálů multiplexoru ke vstupu analyzátoru toku plynu. Extrémně nízký svodový proud a stabilita odporu tohoto multiplexoru z něj činí vynikající volbu pro tuto aplikaci.

Obrázek 5: Schéma ukazuje použití dvou multiplexorů 2: 1 pro reverzaci dvojice ultrazvukových snímačů v analyzátoru toku plynu. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Do jednoho integrovaného obvodu se může integrovat více různých druhů přepínačů. Například čtyřnásobný přepínač SPST společnosti Texas Instruments TMUX6111RTER (obrázek 6). Má velmi nízký svodový proud 0,5 pA a šířku pásma 800 MHz.

Obrázek 6: Čtyřnásobný přepínač SPST TMUX611RTER obsahuje čtyři nezávislé přepínače s velmi nízkým svodovým proudem a šířkou pásma 800 MHz. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Toto je jedno ze tří typů v této produktové řadě nabízející čtyři nezávislé přepínače. Tato verze má čtyři normálně otevřené přepínače. Další verze má čtyři normálně uzavřené spínače, zatímco třetí verze přichází se dvěma z každého typu spínače.

Závěr

Analogové přepínače a multiplexory nabízejí velkou úsporu prostoru, nákladů a spotřeby, jelikož umožňují více senzorům sdílet společný analogově-digitální převodník. Nabízejí také velkou flexibilitu, ať už jde o sdílení komunikačních sběrnic nebo změnu připojených převodníků.

Článek vyšel v originále " Save Space, Cost, and Power by Using Analog Multiplexers and Switches to Share Resources"  na webu DigiKey.com, autorem je Art Pini