Risparmiare spazio, costi e consumi utilizzando i multiplexer e gli interruttori analogici per condividere le risorse

I progettisti si trovano spesso a dover trovare il modo più economico ed efficiente, in termini di spazio e consumi, per digitalizzare più sensori o per instradare più transceiver su un bus di comunicazioni comune. La soluzione sta nel condividere le risorse comuni per evitare di duplicare intere catene di segnali e i relativi componenti,

obiettivo che viene raggiunto multiplando gli ingressi tramite multiplexer analogici. Questi ultimi possono collegare più sensori all'ingresso di un convertitore analogico/digitale (ADC), digitalizzando di volta in volta ogni trasduttore. Lo stesso approccio può essere applicato ai bus di comunicazioni, in cui ogni transceiver può condividere il bus per un intervallo di tempo fisso.

Interruttori e multiplexer analogici offrono entrambi delle caratteristiche chiave: percorsi bidirezionali tra ingressi e uscite e un'elevata integrità di segnale con diafonia e correnti di dispersione minime.

Questo articolo descrive le configurazioni dei multiplexer e degli interruttori analogici e passa poi a introdurre le soluzioni idonee di Texas Instruments che dimostrano le capacità e la flessibilità di questi dispositivi. Offre quindi delle informazioni sull'applicazione degli interruttori e dei multiplexer analogici per condividere le risorse.

Multiplexer analogici

Un multiplexer è un interruttore elettronico che collega selettivamente più sorgenti di ingresso a una linea di uscita comune (Figura 1).

Figura 1: Una tipica applicazione di un multiplexer analogico utilizzando un multiplexer 4:1 per digitalizzare in sequenza le uscite analogiche di quattro sensori. Lo stato binario dei segnali logici A0 e A1 determina qual è l'ingresso collegato all'ADC. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

La Figura 1 mostra quattro sensori collegati tramite un multiplexer analogico 4:1 a un ADC comune. Una coppia di segnali logici, A0 e A1, controlla qual è il sensore collegato all'ADC. Dato che i sensori riportano caratteristiche fisiche che non cambiano rapidamente nel tempo, il campionamento sequenziale non pone alcun rischio di perdita di dati. Il vantaggio principale è la riduzione del numero complessivo di componenti che si ottiene usando un solo ADC e la relativa circuiteria per tutti e quattro i sensori, il che permette di abbattere il costo complessivo del progetto.

Configurazioni di multiplexer e interruttori

I multiplexer analogici fanno parte di una più ampia categoria di interruttori elettronici disponibili in numerose configurazioni, come mostrato nella Figura 2.

Figura 2: Alcune configurazioni comuni di interruttori e multiplexer. Gli interruttori si differenziano dai multiplexer analogici per il fatto che le uscite non sono collegate tra loro, ma possono essere instradate in modo indipendente. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

I multiplexer sono configurati per selezionare uno qualsiasi degli ingressi 2^N, con modelli comunemente disponibili che vanno da 2:1 a 16:1. Per ogni configurazione 2^N di un multiplexer, il numero di linee di controllo digitali è uguale a N. Quindi, un multiplexer 8:1 ha bisogno di tre linee di controllo. Le configurazioni degli interruttori sono identificate dal numero di ingressi o "poli" e dal numero di uscite o "vie". Un interruttore unipolare a una via (SPST) ha un solo ingresso e una sola uscita. Un interruttore unipolare a due vie (SPDT) ha un solo ingresso e due uscite. I produttori di circuiti integrati (CI) spesso inseriscono più interruttori in un unico contenitore CI e descrivono gli interruttori multipli come a più canali, come l'interruttore SPST a quattro canali mostrato nella Figura 2.

Gli interruttori SPST e SPDT sono le due configurazioni più comuni. Esistono anche interruttori unipolari a tre vie (SP3T) e unipolari a quattro vie (SP4T), che vengono utilizzati nelle applicazioni a radiofrequenza (RF).

Gli interruttori possono essere progettati con specifiche caratteristiche dinamiche che influenzano ciò che accade quando i loro contatti cambiano. Se l'interruttore è progettato per essere "circuitante", significa che la connessione iniziale verrà mantenuta finché non viene stabilita quella nuova. Il contatto mobile non vede mai una condizione aperta. Un interruttore "circuitante", invece, interrompe la connessione originale prima di crearne una nuova, per evitare che nessuno dei contatti adiacenti vada in cortocircuito.

Interruttori CMOS

La maggior parte dei progetti correnti di interruttori e multiplexer analogici impiegano transistor a effetto di campo (FET) in metallo ossido semiconduttore con accoppiamento complementare (CMOS). Un elemento di commutazione bilaterale rappresentativo impiega due FET CMOS complementari, un dispositivo a canale N e uno a canale P, collegati in parallelo (Figura 3).

Figura 3: Un elemento di commutazione del multiplexer di base e il suo circuito equivalente. I FET complementari consentono il funzionamento bilaterale, così che possa cambiare segnale in entrambe le direzioni. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La disposizione in parallelo produce un percorso di conduzione capace di gestire segnali di entrambe le polarità. Questa combinazione riduce inoltre al minimo la resistenza in stato On (R_On) in serie e la sensibilità alla tensione. Gli elementi significativi del circuito equivalente sono R_On e la capacità del canale, C_D.

La resistenza nello stato On e quella sorgente, R_Source, e la resistenza di carico R_Load, incidono sul guadagno dell'interruttore quando è chiuso. La resistenza nello stato On varia anche con la tensione di segnale applicata. La resistenza nello stato On e la combinazione parallela di C_D e della capacità di carico C_Load influenzano la larghezza di banda e le dinamiche di commutazione, principalmente il tempo di commutazione. In genere, i progettisti dovrebbero cercare di ridurre al minimo sia R_On che C_D. Nel percorso del segnale esiste anche una corrente di dispersione che influenza l'offset di corrente continua (c.c.).

Quando l'interruttore è aperto, la capacità passante, C_F, offre un percorso attorno all'interruttore, limitandone le capacità di isolamento. Durante la chiusura dell'interruttore, la carica viene condivisa tra la capacità della sorgente C_S e quelle del canale e del carico, con conseguenti transitori di commutazione.

Come mostrato nella Figura 1, gli effetti della resistenza nello stato On di un interruttore possono essere ridotti al minimo bufferizzandone l'uscita con un amplificatore buffer che ha una resistenza di ingresso molto elevata. Questa configurazione del circuito riduce la perdita di guadagno e contiene al minimo gli effetti della variazione della resistenza nello stato On. Tuttavia, può aumentare la tensione di offset a causa della corrente di dispersione. In questo caso si ha un compromesso tecnico che di solito viene risolto selezionando i componenti con la più bassa corrente di dispersione possibile.

Soluzioni per multiplexer e interruttori analogici

Il multiplexer TMUX1108PWR 8:1 di Texas Instruments è un esempio di multiplexer di precisione progettato per essere abbinato a un ADC. Ha un intervallo della tensione di alimentazione (V_DD) tra 1,08 e 5 V. Le tensioni di segnale possono andare da 0 V a V_DD, supportando segnali analogici o digitali bidirezionali. La resistenza in serie del canale, R_On, è in genere di 2,5 Ω e la corrente di dispersione è inferiore a 3 pA. La capacità è di 65 pF, con un tempo di transizione risultante tra i canali che è di solito di 14 ns e una larghezza di banda di 90 MHz.

Per la serie di multiplexer TMUX11xx sono disponibili diverse configurazioni. Ad esempio, TMUX1109RSVR è un multiplexer 4:1 a due canali. Ha lo stesso intervallo di alimentazione e le stesse specifiche di dispersione di TMUX1108PWR ma una resistenza nello stato On di 1,35 Ω (tipica) e una larghezza di banda massima di 135 MHz. Questo dispositivo presenta due multiplexer 4:1, che possono essere utilizzati come singolo multiplexer differenziale 4:1 o come due multiplexer a terminazione singola 4:1 (Figura 4).

Questo è un esempio di applicazione di un sistema di acquisizione dati a quattro canali differenziali basato su un doppio ADC ad approssimazioni successive di campionamento simultaneo. Sono presenti quattro canali differenziali per ADC. Ogni ADC a 16 bit ha una frequenza di campionamento di 3 Msps per segnali con ampiezze fino a ±3,8 V. Questo tipo di sistema di acquisizione viene impiegato per il controllo ottico, industriale e dei motori.

Figura 4: Un'applicazione per due doppi multiplexer 4:1 è un sistema di acquisizione dei segnali differenziali a quattro canali con una larghezza di banda di 16,45 MHz destinato alla gestione dei segnali di controllo ottici, industriali o dei motori. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

La topologia più semplice è un multiplexer 2:1 a canale singolo. Fondamentalmente è quella di un interruttore SPDT. TMUX1119DCKR di Texas Instruments è una versione di precisione di un multiplexer 2:1. Condivide lo stesso intervallo di alimentazione e corrente di dispersione degli altri membri della famiglia TMUX11xx. La sua resistenza nello stato On è in genere di 1,8 Ω e la sua larghezza di banda massima è di 250 MHz.

Tra le sue varie applicazioni, il multiplexer 2:1 viene utilizzato in coppia come interruttore reversibile (Figura 5). Il circuito è quello di un sistema di misurazione del gas che utilizza misurazioni del tempo di volo differenziali per determinare la velocità del flusso. Su un tubo vengono posizionati due trasduttori a ultrasuoni, a distanze specifiche. Viene misurato il tempo di propagazione da un trasduttore all'altro, dopo di che i trasduttori vengono invertiti per misurare il tempo di propagazione nell'altra direzione. La velocità del flusso del gas nel tubo viene calcolata dalla differenza di tempo. Per invertire le connessioni del trasduttore sono utilizzati due multiplexer TMUX1119. Questo è un esempio di segnali di instradamento dei multiplexer agli ingressi dell'analizzatore del flusso di gas. La bassissima corrente di dispersione e la planarità della resistenza nello stato On di questo multiplexer lo rendono una scelta eccellente per questa applicazione.

Figura 5: Lo schema mostra l'uso di due multiplexer 2:1 per invertire le connessioni su una coppia di trasduttori a ultrasuoni in un analizzatore del flusso di gas. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Oltre a queste varie configurazioni dei multiplexer, in un CI è possibile inserire più interruttori indipendenti. Si prenda ad esempio l'interruttore SPST a quattro circuiti TMUX6111RTER di Texas Instruments (Figura 6). Questo dispositivo ha una corrente di dispersione molto bassa di 0,5 pA e una larghezza di banda di 800 MHz. La resistenza nello stato On è modesta, solo 120 Ω.

Figura 6: L'interruttore SPST a quattro circuiti TMUX611RTER include quattro interruttori indipendenti che presentano una corrente di dispersione molto bassa e una larghezza di banda di 800 MHz. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Questo è uno dei tre dispositivi di questa serie di prodotti che offre quattro interruttori indipendenti. Questa versione ha quattro interruttori normalmente aperti. Un'altra versione ha quattro interruttori normalmente chiusi, mentre una terza versione ha due interruttori di ciascun tipo.

Conclusione

Interruttori e multiplexer analogici offrono grandi risparmi in termini di spazio occupato dai componenti, costo e consumi, consentendo a più sensori di condividere un convertitore analogico/digitale comune. Offrono anche una grande flessibilità per cambiare i collegamenti dei circuiti sotto il controllo di un computer, sia condividendo i bus di comunicazione sia cambiando le connessioni dei trasduttori.