使用類比多工器和開關共用資源，節省空間、成本和功率

設計人員經常面臨的難題是找到最節省成本、功率和空間的方法，對多個感測器進行數位化，或是將多個收發器路由到共用通訊匯流排上。而解決方案就是分享共用資源，避免重複構建整個訊號鏈及其相關的元件。

這就需要使用類比多工器，對輸入進行多工。這些多工器能將多個感測器連接至一個類比數位轉換器 (ADC) 的輸入，並依次對每個傳感器進行數位化。這個方法也能應用在通訊匯流排上，每個收發器可在固定的時間間隔內共用匯流排。

類比開關和多工器的主要特性在於，兩者都能在輸入與輸出之間提供雙向路徑，並且都具有較高的訊號完整性以及最小的串音和漏電流。

本文將先探討類比多工器與開關配置，然後會介紹 Texas Instruments 的合適解決方案，並展示這些元件的功能與靈活性。接著會深入介紹如何使用類比開關和多工器來共享資源。

類比多工器

多工器是一種電子開關，可選擇性地將多個輸入來源連接到共用輸出線 (圖 1)。

圖 1：一個典型的類比多工器應用，使用 4:1 多工器依序對四個感測器的類比輸出進行數位化。邏輯訊號 A0 和 A1 的二進位狀態，將決定讓哪個輸入連接到 ADC。(圖片來源：Texas Instruments)

在圖 1 中，有四個感測器透過 4:1 類比多工器連接到共用 ADC，並使用一對邏輯訊號 (A0 和 A1)，控制要將哪個感測器連接到 ADC。由於感測器報告的物理特性不會隨時間快速變化，因此序列採樣不會產生任何資料丟失風險。其主要優點是四個感測器只需使用一個 ADC 及相關電路，因此能降低整體的零件數，進而降低整體的設計成本。

多工器與開關配置

類比多工器屬於更廣泛的電子開關類別，具有很多種配置 (如圖 2 所示)。

圖 2：一些常見的開關與多工器配置。開關和類比多工器不同，開關的輸出沒有綁定在一起，能夠獨立進行路由。(圖片來源：DigiKey)

多工器配置為在 2^N 輸入中選擇一個輸入，常見的型號範圍為 2:1 至 16:1。對於多工器的每種 2^N 配置，數位控制線的數目等於 N。因此，8:1 多工器需要三條控制線。開關配置則由輸入數目 (即「刀」數) 和輸出數目 (即「擲」數) 來描述。單刀單擲 (SPST) 開關擁有一個輸入和一個輸出。單刀雙擲 (SPDT) 開關擁有一個輸入和兩個輸出。積體電路 (IC) 製造商常會將多個開關封裝成單個 IC 封裝，並將多個開關描述為擁有多個通道，如圖 2 所示的四通道 SPST 開關。

SPST 和 SPDT 開關是兩種最常見的開關配置。此外，還有單刀三擲 (SP3T) 和單刀四擲 (SP4T) 開關，可用於無線射頻 (RF) 應用。

設計人員可以將開關設計成具有特定的動態特性，藉此影響開關觸點改變時的行為。如果開關設計成「先通後斷」，代表在建立新的連線前，會一直維持初始的連線。活動觸點絕不會開啟。而「先斷後通」開關則會在新的連線建立前先切斷原始的連線，確保鄰近的觸點不致短路。

CMOS 開關

目前，大多數的類比開關及多工器設計都採用互補式金屬氧化物半導體 (CMOS) 場效電晶體 (FET)。代表性的雙向開關元件會並聯使用兩個互補的 CMOS FET，即一個 N 通道和一個 P 通道元件 (圖 3)。

圖 3：基本的多工器開關元件及其等效電路。互補的 FET 允許雙向作業，因此能夠切換任一方向的訊號。(圖片來源：DigiKey)

並聯式安排產生導通路徑，可處理任一極性的訊號。此外，這個組合還能最小化串聯導通電阻 (R_On)，並減少其電壓靈敏度。等效電路的重要元件則為 R_On 和通道電容 C_D。

導通電阻、源電阻 R_Source 與負載電阻 R_Load，會在開關閉合時影響開關的增益。此外，導通電阻還會隨著施加的訊號電壓而變化。導通電阻以及 C_D 和負載電容 C_Load 的並聯組合，會影響頻寬和切換動態特性 (主要是切換時間)。一般來說，設計人員應盡量減少 R_On 和 C_D。此外，還應減少進入到訊號路徑中的漏電流，此電流會影響直流電 (DC) 偏移。

當開關開啟時，饋通電容 C_F 會在開關的周邊提供一個路徑，限制其隔離能力。在開關閉合期間，電荷會在源電容 C_S 和通道電容及負載電容之間共用，從而導致切換暫態。

如圖 1 所示，使用具有極高輸入電阻的緩衝放大器，來緩衝開關輸出，即可將開關導通電阻的影響減到最小。這種電路配置可減少增益損失，並最大限度降低導通電阻變化的影響。不過，這可能會因為漏電流的關係而導致偏移電壓升高。這裡需要在工程上做出取捨，而解決之道通常是選擇具有最小可能漏電流的元件。

類比多工器與開關解決方案

Texas Instruments 的 TMUX1108PWR 8:1 多工器，就是一種專門和 ADC 配對的精密多工器。此產品的供應電壓 (V_DD) 範圍為 1.08 V 至 5 V。訊號電壓範圍為 0 V 至 V_DD，支援雙向的類比或數位訊號。通道串聯電阻 R_On 一般為 2.5 Ω，漏電流小於 3 pA。導通電容為 65 pF，導致通道間的轉換時間和頻寬一般為 14 ns 和 90 MHz。

TMUX11xx 系列多工器有多種配置可供選擇。例如，TMUX1109RSVR 是雙通道 4:1 多工器。此產品具有和 TMUX1108PWR 相同的電源供應範圍及漏電規格，但導通電阻 (一般) 為 1.35 Ω，最大頻寬為 135 MHz。此元件擁有兩個 4:1 多工器，可用作一個 4:1 差動多工器或兩個 4:1 單端多工器 (圖 4)。

這是多工器應用於差動四通道資料採集系統的範例，此系統以雙同步採樣連續漸近 ADC 做為基礎。每個 ADC 有四個差動通道。每個 16 位元 ADC 的訊號採樣率為 3 MS/s，振幅高達 ±3.8 V。此類採集系統可應用於光學、工業和馬達控制。

圖 4：四通道差動訊號採集系統是兩個雙 4:1 多工器的一個應用範例，此系統的頻寬為 16.45 MHz，可用於處理光學、工業或馬達控制訊號。(圖片來源：Texas Instruments)

最簡單的多工器拓撲是單通道 2:1 多工器，相當於一個 SPDT 開關。Texas Instruments 的 TMUX1119DCKR 是一款精密版的 2:1 多工器。此產品的電源供應範圍與漏電流，與 TMUX11xx 系列其他成員相同。導通電阻一般為 1.8 Ω，最大頻寬為 250 MHz。

在 2:1 多工器的眾多應用中，有一種應用是將兩個多工器用作反向開關 (圖 5)。該電路是一個氣體計量系統，使用差動飛時測距量測來決定流速。管線內放置兩個超音波傳感器，相隔距離已知。首先會測量從一個傳感器到另一個傳感器的傳播時間，然後再反轉傳感器，測量反方向的傳播時間。再根據時間差計算管線內氣體的流速。兩個 TMUX1119 多工器用於反轉傳感器的連接。此範例展示如何透過多工器將訊號路由到氣體流量分析儀的輸入。該多工器具有超低的漏電流和平坦的導通電阻，是此應用的絕佳選擇。

圖 5：此線路圖顯示如何在氣體流量分析儀中，使用兩個 2:1 多工器來反轉一對超音波傳感器的連接。(圖片來源：Texas Instruments)

除了這些多工器配置之外，還可將多個獨立開關封裝在 IC 中，例如 Texas Instruments 的 TMUX6111RTER 四電路 SPST 開關 (圖 6)，此元件具有極低的漏電流 (0.5 pA) 以及 800 MHz 的頻寬。導通電阻值適中，為 120 Ω。

圖 6：TMUX611RTER 四電路 SPST 開關含有四個獨立的開關，具有極低的漏電流和 800 MHz 的頻寬。(圖片來源：Texas Instruments)

這是本產品系列中的三個元件之一，提供四個獨立開關。此型號有四個常開開關，另一個有四個常關開關，第三個型號則是每種開關各兩個。

結論

類比開關與多工器能讓多個感測器分享共用的類比數位轉換器，因而能大大節省元件空間、成本和功率。此外，這些元件還能提供極佳的靈活性，可在電腦控制下變更電路連接，無論是共用通訊匯流排，還是變更傳感器連接。