Bespaar op stroomverbruik, materiaalkosten en ruimte met analoge multiplexers en schakelaars die resources delen

Het is een veel voorkomende uitdaging voor ontwerpers: hoe gebruik ik zo min mogelijk geld, energie en ruimte om verschillende sensoren te digitaliseren of om meerdere transceivers naar een gedeelde communicatiebus te routen? De oplossing is het delen van resources, zodat het niet nodig is om meerdere signaalketens en alle bijbehorende componenten dubbel aan te leggen.

Hiervoor worden de invoersignalen 'gemultiplext' – georganiseerd gecombineerd – met behulp van analoge multiplexers. Een multiplexer kan verschillende sensoren koppelen aan de ingang van één analoog-naar-digitaal-converter (ADC), waarbij de transducers één voor één worden gedigitaliseerd. Dezelfde benadering kan ook worden toegepast op communicatiebussen, waarbij iedere transceiver de bus kan delen gedurende een vast tijdsinterval.

De belangrijkste eigenschap van analoge schakelaars en multiplexers is dat ze allebei 'tweerichtingsverkeer' mogelijk maken tussen invoer & uitvoer, en ze bieden ook een hoge signaalintegriteit met een minimum aan interferentie en lekstromen.

Dit artikel beschrijft eerst de werking van analoge multiplexers en schakelconfiguraties. Hierna worden enkele geschikte oplossingen van Texas Instruments voorgesteld die goed demonstreren wat deze apparaten kunnen en hoe flexibel ze zijn. Tot slot gaan we in op de toepassing van analoge schakelaars en multiplexers om resources te delen.

Analoge multiplexers

Een multiplexer is een elektronische schakelaar die selectief meerdere inputbronnen aansluit op een gedeelde outputlijn (afbeelding 1).

Afbeelding 1: Een typische analoge multiplexer-toepassing met een 4:1-multiplexer om de analoge outputs van vier sensoren na elkaar te digitaliseren. De binaire status van de logische signalen A0 en A1 bepaalt welke input is verbonden met de ADC. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Afbeelding 1 toont vier sensoren die via een 4-naar-1 analoge multiplexer zijn verbonden met een gedeelde ADC. Een paar logische signalen, A0 en A1, bepaalt welke sensor is verbonden met de ADC. Omdat de sensoren fysieke karakteristieken registreren die niet snel veranderen, is er bij de afwisselende sampling geen risico op gegevensverlies. Het voornaamste onderdeel is dat het ontwerp zo minder onderdelen vereist: alle vier de sensoren worden bediend door één enkele ADC met bijbehorende circuits, wat de kosten natuurlijk omlaag brengt.

Multiplexer en schakelaarconfiguraties

Analoge multiplexers maken onderdeel uit van een bredere categorie met elektronische schakelaars, die verkrijgbaar zijn in talloze configuraties – zoals te zien in afbeelding 2.

Afbeelding 2: Enkele veel voorkomende configuraties van schakelaars en multiplexers. Het verschil tussen schakelaars en analoge multiplexers zit hem in de outputs: ze zijn niet gekoppeld, maar kunnen onafhankelijk worden gerouteerd. (Bron afbeelding: DigiKey)

Multiplexers worden geconfigureerd om een input van de 2^N invoersignalen te selecteren, waarbij gangbare modellen uiteenlopen van 2:1 tot 16:1. Voor iedere multiplexer 2^N configuratie is het aantal digitale besturingslijnen gelijk aan N. Een 8-naar-1 multiplexer heeft dus drie besturingslijnen nodig. Schakelaarconfiguraties worden beschreven door het aantal inputs of "polen" en het aantal outputs, de "throws". Een zogeheten single-pole single-throw (SPST) schakelaar heeft één invoerlijn en één uitvoerlijn. Een zogeheten single-pole double-throw (SPDT) schakelaar heeft één invoer- en twee uitvoerlijnen. Fabrikanten van geïntegreerde circuits (IC's) passen vaak meerdere schakelaars toe in één IC en geven dan in de beschrijving aan dat meerdere schakelaars meerdere kanalen hebben, zoals de vier-kanaals SPST-schakelaar in afbeelding 2.

SPST- en SPDT-schakelaars zijn de twee schakelaarconfiguraties die het meest voorkomen. Er bestaan ook single-pole three-throw (SP3T) en single-pole four-throw (SP4T)-schakelaars, die worden gebruikt in radiofrequentie (RF)-toepassingen.

Schakelaars kunnen zo worden ontworpen dat ze specifieke dynamische karakteristieken hebben, die een uitwerking hebben op de actie die wordt uitgevoerd als schakelcontacten wijzigen. Er zijn twee benaderingen: bij "make before break" wordt het bestaande contact in stand gehouden, totdat het nieuwe contact is bereikt. Het bewegende contact is nooit open. Bij "break before make" breekt de schakelaar het oorspronkelijke contact af, voordat een nieuw contact wordt gemaakt. Dit voorkomt kostsluiting in de naastgelegen contacten.

CMOS-schakelaars

De meeste ontwerpen met analoge schakelaars en multiplexers maken gebruik van complementaire metaaloxide halfgeleiders (CMOS) veld-effect transistors (FET's). Een representatief bilateraal schakelelement gebruikt twee complementaire CMOSFET's, een apparaat met N-kanaal en een met P-kanaal, die parallel zijn aangesloten (afbeelding 3).

Afbeelding 3: Een eenvoudig multiplexer-schakelelement en het equivalente circuit Complementaire FET's maken bilaterale operaties mogelijk, zodat signalen in beide richtingen kunnen worden geschakeld. (Bron afbeelding: DigiKey)

Door de parallelle installatie ontstaat een geleidingspad dat signalen in beide polariteiten kan verwerken. De combinatie vermindert ook de On-weerstand (R_On) en brengt de spanningsgevoeligheid omlaag. De significante elementen van het equivalent circuit zijn R_On en de kanaalcapacitantie, C_D.

De On-weerstand, de bronweerstand, R_Source, en de ladingsweerstand R_Load hebben een uitwerking op de versterking van de schakelaar als deze gesloten is. De On-weerstand varieert ook afhankelijk van de toegepaste signaalspanning. De On-weerstand en de parallelle combinatie van C_D en ladingscapacitantie C_Load hebben een uitwerking op de bandbreedte en de schakeldynamica, met name de schakeltijd. Over het algemeen doen ontwerpers er goed aan om zowel R_On en C_D zo laag mogelijk te houden. Er treedt ook lekstroom op die in het signaalpad vloeit en een uitwerking heeft op de DC-offset.

Als de schakelaar open is levert de doorvoercapacitantie C_F (de F staat voor "feed-through") een pad om de schakelaar heen, wat de isolatiecapaciteit beperkt. Tijdens het sluiten van de schakelaar wordt lading gedeeld tussen de broncapacitantie C_S en de kanaal- en ladingscapacitanties, wat resulteert in schakeltransiënten.

Het effect van de On-weerstand van een schakelaar kan worden geminimaliseerd door de output van de schakelaar te bufferen met een bufferversterker met bijzonder hoge ingangsweerstand, zoals in afbeelding 1. Deze circuitopzet vermindert het versterkingsverlies en minimaliseert de negatieve effecten van variaties in de On-weerstand. Vanwege de lekstroom kan de offset-spanning echter hoger worden. Dit is een technische concessie, die meestal kan worden ondervangen door componenten met zo min mogelijk lekstroom toe te passen.

Analoge multiplexer- en schakelaaroplossingen

De TMUX1108PWR 8:1 multiplexer van Texas Instruments is een voorbeeld van een precisie-multiplexer, bedoeld voor aansluiting op een ADC. Het voedingsspanningsbereik (V_DD) loopt van 1,08 tot 5 volt. De signaalspanningen kunnen tussen 0 volt tot V_DD uiteenlopen en ondersteunen bidirectionele analoge of digitale signalen. De kanaalserieweerstand, R_On, is nominaal 2,5 ohm (Ω) en de lekstroom is minder dan 3 picoampère (pA). De On-capacitantie is 65 pF, wat een nominale transitietijd tussen kanalen oplevert van 14 nanoseconden (ns) en een bandbreedte van 90 megahertz (MHz).

In de TMUX11xx-serie multiplexers zijn verschillende configuraties verkrijgbaar. Een voorbeeld is de TMUX1109RSVR, een dual-channel 4:1 multiplexer. De specificaties voor het voedingsbereik en de lekstroom zijn hetzelfde als voor de TMUX1108PWR, maar de On-weerstand is 1,35 Ω (nominaal) en de maximum bandbreedte is 135 MHz. Het apparaat bevat twee 4-naar-1 multiplexers, die kunnen worden gebruikt als 4:1 differentiële multiplexer of als twee 4:1 multiplexers met enkele uitgang (afbeelding 4).

Dit is een toepassingsvoorbeeld van een differentieel vierkanaals systeem voor gegevensinzameling op basis van een duale ADC met gelijktijdige sampling en successieve benadering. Er zijn vier differentiële kanalen per ADC. Iedere 16-bits ADC heeft een sampling-rate van 3 megasample per seconde (MS/s) voor signalen met amplitudes tot ±3,8 volt. Dit soort systemen voor gegevensverzameling wordt toegepast in optische, industriële en motorbesturingen.

Afbeelding 4: Een toepassing voor twee duale 4:1 multiplexers is een vierkanaals systeem voor differentiële signaalverzameling met een bandbreedte van 16,45 MHz, bedoeld voor optische, industriële of motorbesturingssignalen. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De meest eenvoudige multiplexertopologie is een éénkanaals 2:1 multiplexer. Dit is in principe een SPDT-schakelaar. De TMUX1119DCKR van Texas Instruments is een extra nauwkeurige versie van een 2:1 multiplexer. Het voedingsbereik en de lekstroom zijn hetzelfde als bij de overige modellen in de TMUX11xx-productfamilie. De On-weerstand is nominaal 1,8 Ω en de maximale bandbreedte is 250 MHz.

Eén van de toepassingen voor de 2:1 multiplexer is om er twee te gebruiken als omkeerschakelaar (afbeelding 5). Het circuit is van een gasmetersysteem dat gebruik maakt van differentiële ToF-metingen ("time of flight" oftewel verplaatsingstijd, in dit geval van een ultrasone puls) om het debiet te bepalen. Er zijn twee ultrasone transducers in een leiding geplaatst op een bekende afstand van elkaar. De propagatietijd van de ene naar de andere transducer wordt gemeten en vervolgens worden de transducers omgekeerd om de meting in de andere richting uit te voeren. Aan de hand van het gemeten tijdsverschil kan de stroomsnelheid van het gas in de leiding worden gemeten. Om de transducerverbindingen om te keren, worden twee TMUX1119-multiplexers ingezet. Dit is een voorbeeld van een multiplexer die signalen routeert naar de inputs van de debietmeter. Deze multiplexer is een uitstekende keus voor deze toepassing, dankzij de bijzonder lage lekstroom en de platheid van de On-weerstand.

Afbeelding 5: Het schema geeft weer hoe twee 2:1 multiplexers worden gebruikt om de aansluitingen om te keren van een paar ultrasone transducers voor de bepaling van een gasstroom. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Naast deze verschillende multiplexerconfiguraties kunnen ook meerdere onafhankelijke schakelaars in een IC worden geïnstalleerd. Kijk eens naar de TMUX6111RTER SPST-schakelaar met vier circuits van Texas Instruments (afbeelding 6). Dit apparaat heeft een bijzonder lage lekstroom van 0,5 pA en een bandbreedte van 800 MHz. De On-resistance van 120 Ω is relatief laag.

Afbeelding 6: De TMUX611RTER SPST-schakelaar met vier circuits is voorzien van vier onafhankelijke schakelaars met een bijzonder lage lekstroom en een bandbreedte van 800 MHz. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Dit is een van de drie apparaten in deze productserie die vier onafhankelijke schakelaars biedt. Deze versie heeft vier schakelaars die normaal open zijn. Een andere versie heeft vier schakelaars die normaal gesloten zijn en er is ook nog een versie met twee om twee.

Conclusie

Analoge schakelaars en multiplexers zijn zuinig qua ruimte, kosten en verbruik, omdat meerdere sensoren hiermee kunnen worden aangesloten op één gedeelde analoog-naar-digitaal converter. Ze bieden ook veel flexibiliteit om de aansluitingen in een circuit met computerbesturing te veranderen, of het nu gaat om het delen van communicatiebussen of het wijzigen van transduceraansluitingen.