Platz, Kosten und Leistung durch Verwendung analoger Multiplexer und Schalter mit gemeinsamen Ressourcen sparen

Designer müssen für die Digitalisierung mehrerer Sensoren oder für die Verbindung mehrerer Transceiver mit einem gemeinsamen Kommunikationsbus häufig eine möglichst kostengünstige, sparsame und platzsparende Möglichkeit finden. Die Lösung besteht darin, gemeinsame Ressourcen zu teilen, um die Duplikation vollständiger Signalketten und ihrer zugehörigen Komponenten zu vermeiden.

Dies wird durch Multiplexen der Eingänge mithilfe analoger Multiplexer erreicht. Diese können mehrere Sensoren mit dem Eingang eines Analog/Digital-Wandlers (ADC) verbinden und somit jeden Wandler digitalisieren. Diese Herangehensweise kann auch bei Kommunikationsbussen angewendet werden – hier kann jeder Transceiver den Bus für einen festen Zeitraum teilen.

Analoge Schalter und Multiplexer teilen zwei wichtige Eigenschaften: Sie bieten bidirektionale Pfade zwischen Ein- und Ausgängen und gleichzeitig eine hohe Signalintegrität mit minimalem Übersprechen und Leckstrommengen.

In diesem Artikel werden analoge Multiplexer- und Schalterkonfigurationen beschrieben und passende Lösungen von Texas Instruments vorgestellt, die die Fähigkeiten und Flexibilität dieser Geräte darstellen. Weiterhin wird ein Einblick in die Anwendung analoger Schalter und Multiplexer für die gemeinsame Nutzung von Ressourcen geboten.

Analoge Multiplexer

Ein Multiplexer ist ein elektronischer Schalter, der eine selektive Verbindung zwischen mehreren Eingangsquellen und einer gemeinsamen Ausgangsleitung herstellt (Abb. 1).

Abbildung 1: Eine typische analoge Multiplexer-Anwendung mit einem 4:1-Multiplexer für die sequenzielle Digitalisierung der analogen Ausgänge von vier Sensoren. Über den binären Status der logischen Signale A0 und A1 wird festgestellt, welcher Eingang mit dem ADC verbunden wird. (Bildquelle: Texas Instruments)

Abbildung 1 zeigt vier Sensoren, die über einen analogen 4:1-Multiplexer mit einem gemeinsamen ADC verbunden sind. Über ein Paar logischer Signale (A0 und A1) wird bestimmt, welcher Eingang mit dem ADC verbunden wird. Da die Sensoren physische Eigenschaften melden, die sich nicht schnell verändern, stellt die sequenzielle Abtastung kein Risiko für Datenverluste dar. Der eigentliche Vorteil besteht darin, dass die Gesamtzahl der Teile durch Verwendung eines einzigen ADC und entsprechender Schaltkreise für alle vier Sensoren reduziert wird, wodurch gleichzeitig die Gesamtkosten für das Design sinken.

Multiplexer- und Schalterkonfigurationen

Analoge Multiplexer sind Teil einer umfangreicheren Kategorie elektronischer Schalter, die in einer großen Anzahl verschiedener Konfigurationen verfügbar sind – siehe Abbildung 2.

Abb. 2: Einige gemeinsame Schalter- und Multiplexer-Konfigurationen Der Unterschied zwischen Schalter und analogen Multiplexern besteht darin, dass die Ausgänge nicht verbunden sind. Sie können unabhängig voneinander eingesetzt werden. (Bildquelle: DigiKey)

Multiplexer werden so konfiguriert, dass 2^N beliebige Eingänge mit normalerweise verfügbaren Modellen von 2:1 bis 16:1 ausgewählt werden. Für jede 2^N Multiplexer-Konfiguration entspricht die Anzahl digitaler Steuerleitungen N. Somit benötigt ein 8:1-Multiplexer drei Steuerleitungen. Schalterkonfigurationen werden über die Anzahl von Eingängen oder „Polen“ und die Anzahl der Ausgänge oder „Klemmen“ beschrieben. Ein SPST-Schalter (single-pole single-throw) verfügt über einen Eingang und einen Ausgang. Ein SPDT-Schalter (single-pole double-throw) verfügt über einen Eingang und zwei Ausgänge. Hersteller integrierter Schaltungen (IC) verpacken häufig mehrere Schalter in ein einzelnes IC-Paket und geben an, dass die Mehrfachschalter über mehrere Kanäle verfügen (wie der Vier-Kanal-SPST-Schalter in Abbildung 2).

SPST- und SPDT-Schalter sind die zwei geläufigsten Schalterkonfigurationen. In Hochfrequenzanwendungen kommen auch SP3T- (single-pole three-throw) und SP4T-Schalter (single-pole four-throw) zum Einsatz.

Schalter können so ausgelegt werden, dass sie spezifische dynamische Eigenschaften aufweisen, die sich auf das Verhalten bei Änderung der Schaltkontakte auswirken. Wenn der Schalter auf „make before break“ ausgelegt ist, bedeutet dies, dass die anfängliche Verbindung bis zum Herstellen der neuen Verbindung erhalten bleibt. Der bewegliche Kontakt hat nie einen offenen Zustand. Andererseits trennt ein auf „break before make“ ausgelegter Schalter die ursprüngliche Verbindung, bevor eine neue hergestellt wird, sodass keine benachbarten Kontakte kurzgeschlossen werden.

CMOS-Schalter

Die meisten aktuellen analogen Schalter- und Multiplexer-Designs verwenden Feldeffekttransistoren (FETs) mit komplementären Metalloxid-Halbleitern (CMOS). Ein repräsentatives bilaterales Schaltelement verwendet zwei komplementäre CMOS-FETs, einen N-Kanal und eine P-Kanal-Vorrichtung, die parallel geschaltet sind (Abbildung 3).

Abbildung 3: Grundlegendes Multiplexer-Schaltelement und sein Ersatzschaltkreis Komplementäre FETs ermöglichen den bilateralen Einsatz, sodass Signale in jede Richtung geschaltet werden können. (Bildquelle: DigiKey)

Die parallele Anordnung erzeugt einen Leitungspfad, der Signale beider Polaritäten verarbeiten kann. Diese Kombination minimiert auch den Serieneinschaltwiderstand (R_On) und reduziert die Spannungsempfindlichkeit. Die wesentlichen Elemente der Ersatzschaltung sind R_On und die Kanalkapazität C_D.

Der Einschaltwiderstand beeinflusst zusammen mit dem Quellenwiderstand R_Source und dem Lastwiderstand R_Load die Verstärkung des Schalters, wenn er geschlossen ist. Der Einschaltwiderstand variiert auch bei angewendeter Signalspannung. Der Einschaltwiderstand und die parallele Kombination von C_D und Lastkapazität C_Load haben einen Einfluss auf die Bandweite und Schaltdynamik, insbesondere auf die Schaltzeit. Designer sollten im Allgemeinen versuchen, R_On und C_D möglichst gering zu halten. Ein Ableitstrom in den Signalpfad beeinflusst den Offset des Gleichstroms (DC).

Bei geöffnetem Schalter stellt die Durchführungskapazität C_F einen Weg um den Schalter herum dar und begrenzt so seine Isolationsfähigkeit. Beim Schließen des Schalters wird die Ladung zwischen der Quellkapazität C_S und den Kanal- und Lastkapazitäten geteilt, was zu Schalttransienten führt.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, können die Auswirkungen des Einschaltwiderstands eines Schalters minimiert werden, indem der Schaltausgang mit einem Pufferverstärker mit einem sehr hohen Eingangswiderstand gepuffert wird. Bei dieser Schaltkreiskonfiguration werden Verstärkerverluste reduziert und die Auswirkungen auf den Einschaltwiderstand minimiert. Allerdings kann die Offset-Spannung aufgrund des Leckstroms verstärkt werden. An dieser Stelle gibt es einen technischen Kompromiss, der in der Regel durch die Auswahl von Komponenten mit dem minimal möglichen Ableitstrom gelöst wird.

Analoge Multiplexer- und Schalterlösungen

Der 8:1-Multiplexer TMUX1108PWR von Texas Instruments ist ein Beispiel für einen Präzisionsmultiplexer, der in Verbindung mit einem ADC zum Einsatz kommt. Seine Versorgungsspannung (V_DD) liegt zwischen 1,08 und 5 Volt. Signalspannungen können zwischen 0 Volt und der V_DD liegen, wodurch bidirektionale analoge oder digitale Signale unterstützt werden. Der Kanalserienwiderstand R_On beträgt normalerweise 2,5 Ohm (Ω) und der Leckstrom weniger als 3 Picoampere (pA). Die Einschaltkapazität beträgt 65 pF, was zu einer Übergangszeit zwischen den Kanälen von normalerweise 14 Nanosekunden (ns) und einer Bandweite von 90 Megahertz (Mhz) führt.

In der Multiplexer-Serie TMUX11xx sind verschiedene Konfigurationen verfügbar. Beim TMUX1109RSVR handelt es sich beispielsweise um ein 4:1-Zweikanal-Multiplexer. Er verfügt über denselben Stromversorgungsbereich und dieselben Leckstromspezifikationen wie der TMUX1108PWR, sein Einschaltwiderstand beträgt jedoch (i. d. R.) 1,35 Ω und seine maximale Bandweite liegt bei 135 MHz. Dieses Gerät enthält zwei 4:1-Multiplexer, die als 4:1-Differenzmultiplexer oder als zwei asymmetrische 4:1-Multiplexer verwendet werden können (Abb. 4).

Dies ist ein Anwendungsbeispiel für ein differenzielles Vierkanal-Datenerfassungssystem, das auf einem ADC mit Dual-Simultan-Abtastung und aufeinanderfolgender Approximation basiert. Pro ADC gibt es vier Differenzkanäle. Jeder 16-Bit-ADC hat eine Abtastrate von 3 Megasample pro Sekunde (MS/s) für Signale mit Amplituden von bis zu ±3,8 Volt. Anwendungen für diese Art von Erfassungssystem sind optische, industrielle und Motorsteuerungen.

Abbildung 4: Eine Anwendung für zwei duale 4:1-Multiplexer ist ein differenzielles Vierkanal-Datenerfassungssystem mit einer Bandbreite von 16,45 MHz, das für die Verarbeitung von Signalen einer optischen, industriellen oder Motorsteuerung vorgesehen ist. (Bildquelle: Texas Instruments)

Die einfachste Multiplexer-Topologie ist ein Einkanal-2:1-Multiplexer. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um einen SPDT-Schalter. Der TMUX1119DCKR von Texas Instruments ist eine Präzisionsversion eines 2:1-Multiplexers. Sein Stromversorgungsbereich und Leckstrom stimmen mit denen der TMUX11xx-Familie überein. Sein Einschaltwiderstand liegt normalerweise bei 1,8 Ω und seine maximale Bandweite bei 250 MHz.

Zu den Anwendungen des 2:1-Multiplexers gehört der Umkehrschalter, in dem zwei dieser Multiplexer zum Einsatz kommen (Abb. 5). Die Schaltung entspricht der eines Gasmesssystems mit differenziellen Laufzeitmessungen zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit. Zwei Ultraschallwandler werden in einem Rohr in einem bekannten Abstand angeordnet. Die Laufzeit von einem Wandler zum anderen wird gemessen, dann werden die Wandler umgekehrt, um die Laufzeit in die andere Richtung zu messen. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Rohr wird aus der Zeitdifferenz berechnet. Zwei Multiplexer TMUX1119 werden verwendet, um die Wandlerverbindungen umzukehren. Dies ist ein Beispiel eines Multiplexers, der Signale zu den Eingängen des Gasflussmessgeräts leitet. Durch den extrem niedrigen Ableitstrom und die Planheit des Einschaltwiderstands dieses Multiplexers wird dieser zu einer ausgezeichneten Wahl für diese Anwendung.

Abbildung 5: Der Schaltplan stellt die Verwendung von zwei 2:1-Multiplexern für die Umkehrung von Verbindungen in zwei Ultraschallwandlern eines Gasflussmessgeräts dar. (Bildquelle: Texas Instruments)

Zusätzlich zu diesen verschiedenen Multiplexer-Konfigurationen können mehrere unabhängige Schalter in einen IC gepackt werden. Betrachten wir den SPST-Schalter TMUX6111RTER mit vier Schaltkreisen von Texas Instruments (Abb. 6). Diese Komponente zeichnet sich durch einen sehr geringen Leckstrom von 0,5 pA und einer Bandweite von 800 Mhz aus. Der Einschaltwiderstand liegt bei gerade 120 Ω.

Abbildung 6: Der SPST-Schalter TMUX611RTER mit vier Schaltkreisen beinhaltet vier unabhängige Schalter mit einem sehr geringen Leckstrom und einer Bandweite von 800 MHz. (Bildquelle: Texas Instruments)

Dies ist einer von drei Vertretern in dieser Produktserien, die vier unabhängige Schalter enthält. Diese Version beinhaltet zudem vier NO-Schalter (Schließer). Eine andere Version beinhaltet vier NC-Schalter (Öffner) und eine dritte zwei Schalter jedes Typs.

Fazit

Analoge Schalter und Multiplexer bieten eine hohe Wirtschaftlichkeit in Bezug auf Einbauraum, Kosten und Leistung, da sich mehrere Sensoren einen gemeinsamen Analog/Digital-Wandler teilen können Sie bieten auch ein hohes Maß an Flexibilität bei der Änderung von Schaltungsverbindungen mit Computersteuerung – sei es bei der gemeinsamen Nutzung von Kommunikationsbussen oder beim Austausch von Wandlerverbindungen.