在進(jìn)行多傳感器數(shù)字化處理或?qū)⒍鄠€(gè)收發(fā)器連接到公用通信總線時(shí)，設(shè)計(jì)人員常常很難找到最有效的節(jié)省成本、功耗和空間的方法。解決方案是共享公用資源，避免重復(fù)構(gòu)建整個(gè)信號(hào)鏈及其相關(guān)元器件。

實(shí)現(xiàn)辦法是利用模擬多路復(fù)用器對(duì)輸入進(jìn)行多路復(fù)用。這樣便可將多個(gè)傳感器連接到一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的輸入，由其依次對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)字化處理。同樣的方法也可應(yīng)用于通信總線，每個(gè)收發(fā)器可以按固定的時(shí)間間隔使用總線。

模擬開關(guān)和多路復(fù)用器的關(guān)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(hào)完整性、極小的串?dāng)_和漏電電流。

本文首先說(shuō)明模擬多路復(fù)用器和開關(guān)配置，然后介紹Texas Instruments的相關(guān)解決方案，以展示這些器件的功能和靈活性。然后，本文會(huì)就應(yīng)用模擬開關(guān)和多路復(fù)用器實(shí)現(xiàn)資源共享提出一些指引。

模擬多路復(fù)用器

多路復(fù)用器是一種將多個(gè)輸入源選擇性地連接到公用輸出線的電子開關(guān)（圖1）。

圖1：典型模擬多路復(fù)用器應(yīng)用，使用4:1多路復(fù)用器依次對(duì)四個(gè)傳感器的模擬輸出進(jìn)行數(shù)字化處理。邏輯信號(hào)A0和A1的二進(jìn)制狀態(tài)決定了哪個(gè)輸入連接到ADC。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

圖1顯示了四個(gè)傳感器通過(guò)4:1模擬多路復(fù)用器連接到公用ADC。一對(duì)邏輯信號(hào)A0和A1控制將哪個(gè)傳感器連接到ADC。由于傳感器報(bào)告的物理特性不會(huì)隨時(shí)間快速變化，因此順序采樣不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。其主要優(yōu)點(diǎn)是只需使用一個(gè)ADC和相關(guān)電路便能處理所有四個(gè)傳感器，元器件總數(shù)量得以減少，因而設(shè)計(jì)的總成本也得以降低。

多路復(fù)用器和開關(guān)配置

模擬多路復(fù)用器屬于更廣泛的電子開關(guān)類別，可提供如圖2所示的大量配置。

圖2： 一些常見的開關(guān)和多路復(fù)用器配置。開關(guān)與模擬多路復(fù)用器的不同之處在于前者的輸出沒(méi)有連接在一起，可以獨(dú)立選擇路線。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

多路復(fù)用器配置為選擇2N個(gè)輸入中的任何一個(gè)，常用型號(hào)是從2:1到16:1。對(duì)于每種多路復(fù)用器2N配置，數(shù)字控制線的數(shù)量等于N。因此，8:1多路復(fù)用器需要三條控制線。開關(guān)配置由輸入（或“刀”）的數(shù)量及輸出（或“擲”）的數(shù)量來(lái)描述。單刀單擲 (SPST) 開關(guān)具有一路輸入和一路輸出。單刀雙擲 (SPDT) 開關(guān)具有一路輸入和兩路輸出。集成電路 (IC) 制造商常常將多個(gè)開關(guān)裝進(jìn)單個(gè)IC封裝中，并將這些開關(guān)描述為具有多個(gè)通道，如圖 2 所示的四通道SPST開關(guān)。

SPST和SPDT開關(guān)是兩種最常見的開關(guān)配置。另外還有用于射頻 (RF) 應(yīng)用的單刀三擲 (SP3T) 和單刀四擲 (SP4T) 開關(guān)。

開關(guān)可設(shè)計(jì)為具有特定的動(dòng)態(tài)特性，可影響開關(guān)觸點(diǎn)變化時(shí)發(fā)生的操作。如果開關(guān)設(shè)計(jì)為“先合后開”，則意味著初始連接將保持到建立新連接為止。動(dòng)觸點(diǎn)永遠(yuǎn)不會(huì)處于開路狀態(tài)。相反，“先開后合”開關(guān)會(huì)先切斷原始連接，再建立新連接，這樣相鄰觸點(diǎn)就不會(huì)短路。

**CMOS開關(guān)

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當(dāng)前大多數(shù)模擬開關(guān)和多路復(fù)用器設(shè)計(jì)采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET)。代表性的雙向開關(guān)元件采用兩個(gè)互補(bǔ)CMOS FET：一個(gè)N溝道器件和一個(gè)P溝道器件，二者并聯(lián)連接（圖3）。

圖3：基本多路復(fù)用器開關(guān)元件及其等效電路?；パa(bǔ)FET支持雙向操作，可以在任一方向上切換信號(hào)。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

并聯(lián)布置產(chǎn)生的傳導(dǎo)路徑可以處理任一極性的信號(hào)。這種組合還使串聯(lián)導(dǎo)通電阻 (R On ) 最小化，并降低其電壓敏感度。等效電路的重要元件有ROn和溝道電容C D 。

導(dǎo)通電阻與源電阻RSource和負(fù)載電阻RLoad一同影響開關(guān)閉合時(shí)的增益。導(dǎo)通電阻還隨施加的信號(hào)電壓而變化。導(dǎo)通電阻以及CD和負(fù)載電容CLoad的并聯(lián)組合會(huì)影響帶寬和開關(guān)動(dòng)態(tài)特性，主要是開關(guān)時(shí)間。一般而言，設(shè)計(jì)人員應(yīng)力求讓ROn和CD最小化。同時(shí)還會(huì)有漏電電流進(jìn)入信號(hào)路徑，影響直流 (DC) 偏移。

當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，饋通電容CF會(huì)在開關(guān)周圍提供一條路徑，限制其隔離能力。在開關(guān)閉合期間，源電容CS與溝道和負(fù)載電容共享電荷，產(chǎn)生開關(guān)瞬態(tài)。

如圖1所示，使用具有超高輸入電阻的緩沖放大器緩沖開關(guān)輸出，可以使開關(guān)導(dǎo)通電阻的影響降至最小。該電路配置減少了增益損耗，并最大限度降低了導(dǎo)通電阻變化的影響。然而，漏電流引起的補(bǔ)償電壓可能會(huì)增加。這里需要在工程上進(jìn)行權(quán)衡，通常是通過(guò)選擇漏電電流盡可能小的元件來(lái)解決。

**模擬多路復(fù)用器和開關(guān)解決方案

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Texas Instruments的TMUX1108PWR8:1多路復(fù)用器是旨在與ADC配合使用的精密多路復(fù)用器的范例。其供電電壓 (V DD ) 范圍為1.08V至5V。信號(hào)電壓范圍為0V至V DD ，支持雙向模擬或數(shù)字信號(hào)。通道串聯(lián)電阻ROn的典型值為2.5Ω，漏電流小于3pA。導(dǎo)通電容為65pF，因此通道之間的渡越時(shí)間典型值為14ns，帶寬為90MHz。

TMUX11xx系列多路復(fù)用器有多種配置可供選擇。例如，TMUX1109RSVR是雙通道4:1多路復(fù)用器；具有與TMUX1108PWR相同的供電范圍和漏電電流規(guī)格，但導(dǎo)通電阻為1.35Ω（典型值），最大帶寬為135MHz。該器件具有兩個(gè)4:1多路復(fù)用器，可用作一個(gè)4:1差分多路復(fù)用器或兩個(gè)4:1單端多路復(fù)用器（圖4）。

這是一個(gè)差分四通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用示例，其中該系統(tǒng)基于雙通道同步采樣逐次逼近型ADC。每個(gè)ADC有四個(gè)差分通道。每個(gè)16位ADC的信號(hào)采樣率為3MS/s，幅度高達(dá)±3.8V。此類采集系統(tǒng)的應(yīng)用包括光學(xué)、工業(yè)和電機(jī)控制。

圖4：兩個(gè)雙通道4:1多路復(fù)用器的一種應(yīng)用是四通道差分信號(hào)采集系統(tǒng)，其帶寬為16.45MHz，適用于處理光學(xué)、工業(yè)或電機(jī)控制信號(hào)。（圖片來(lái)源：TexasInstruments）

最簡(jiǎn)單的多路復(fù)用器拓?fù)涫菃瓮ǖ?:1多路復(fù)用器。這基本上是一個(gè)SPDT開關(guān)。Texas Instruments的TMUX1119DCKR是精密版本的2:1多路復(fù)用器。其電源范圍和漏電電流規(guī)格與TMUX11xx系列的其他成員相同。導(dǎo)通電阻典型值為1.8Ω，最大帶寬為250MHz。

2:1多路復(fù)用器有一種應(yīng)用是使用兩個(gè)這樣的器件作為逆轉(zhuǎn)開關(guān)（圖5）。該電路是一個(gè)氣體計(jì)量系統(tǒng)，使用差分飛行時(shí)間測(cè)量值來(lái)確定流速。有兩個(gè)超聲波變送器放置在一根管道中，相隔距離是已知的。首先測(cè)量從一個(gè)變送器到另一個(gè)變送器的傳播時(shí)間，然后逆轉(zhuǎn)變送器以測(cè)量另一個(gè)方向上的傳播時(shí)間。根據(jù)時(shí)間差計(jì)算管道中的氣體流速。兩個(gè)TMUX1119多路復(fù)用器用于逆轉(zhuǎn)變送器連接。這是一個(gè)多路復(fù)用器將信號(hào)路由到氣流分析儀輸入的示例。該多路復(fù)用器具有超低漏電電流和平坦的導(dǎo)通電阻，因而成為此類應(yīng)用的出色選擇。

圖5：原理圖顯示了使用兩個(gè)2:1多路復(fù)用器來(lái)逆轉(zhuǎn)氣流分析儀中一對(duì)超聲變送器的連接。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

除了各種各樣的多路復(fù)用器配置之外，還可以將多個(gè)獨(dú)立開關(guān)封裝到一個(gè)IC中。以Texas Instruments的TMUX6111RTER四回路SPST開關(guān)為例（圖6）。該器件具有0.5pA的超低漏電電流和800MHz的帶寬。導(dǎo)通電阻適中，為120Ω。

圖6：TMUX611RTER四回路SPST開關(guān)包括四個(gè)獨(dú)立開關(guān)，具有極低的漏電電流和800MHz帶寬。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

這是該產(chǎn)品系列中的三款器件之一，提供四個(gè)獨(dú)立開關(guān)。此版本有四個(gè)常開開關(guān)。另一個(gè)版本有四個(gè)常閉開關(guān)，而第三個(gè)版本是每類開關(guān)各有兩個(gè)。

**本文小結(jié)

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模擬開關(guān)和多路復(fù)用器支持多個(gè)傳感器共享一個(gè)公共模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從而在元器件空間、成本和功耗方面帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)性。這些器件還能提供極大的靈活性，可在計(jì)算機(jī)控制下更改電路連接，無(wú)論是共享通信總線還是改變變送器連接都可使用。