Ahorre espacio, costos y energía utilizando interruptores y multiplexores analógicos para compartir recursos

Los diseñadores a menudo se enfrentan al desafío de digitalizar múltiples sensores o enrutar múltiples transceptores a un bus de comunicaciones común ahorrando la mayor cantidad posible de costos, energía y espacio. La solución es compartir recursos comunes para evitar la duplicación de cadenas de señales completas y los componentes relacionados.

Esto se logra multiplexando las entradas con multiplexores analógicos. Estos pueden unir múltiples sensores a la entrada de un convertidor analógico-digital (ADC), digitalizando a su vez cada transductor. El mismo enfoque se puede adoptar para los buses de comunicaciones, donde cada transceptor puede compartir el bus durante un intervalo de tiempo fijo.

Las características clave de los multiplexores y los interruptores analógicos son las rutas bidireccionales entre entradas y salidas y una alta integridad de la señal con un mínimo de diafonía y corrientes de fuga.

Este artículo describe las configuraciones de los interruptores y los multiplexores analógicos antes de presentar soluciones adecuadas de Texas Instruments que demuestran las capacidades y la flexibilidad de estos dispositivos. Luego proporciona información sobre la aplicación de multiplexores e interruptores analógicos para compartir recursos.

Multiplexores analógicos

Un multiplexor es un interruptor electrónico que conecta selectivamente múltiples fuentes de entrada a una línea de salida común (Figura 1).

Figura 1: Una aplicación típica de multiplexor analógico con un multiplexor 4:1 para digitalizar secuencialmente las salidas analógicas de cuatro sensores. El estado binario de las señales lógicas A0 y A1 determina qué entrada se conecta al ADC. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

La Figura 1 muestra cuatro sensores conectados a un ADC común mediante un multiplexor analógico 4:1. Un par de señales lógicas, A0 y A1, controlan qué sensor se conecta al ADC. Como los sensores informan características físicas que no cambian rápidamente con el tiempo, el muestreo secuencial no presenta ningún riesgo de pérdida de datos. El principal beneficio es la reducción del recuento general de piezas mediante el uso de un solo ADC y los circuitos relacionados para los cuatro sensores, lo que reduce el costo general del diseño.

Configuraciones de multiplexores e interruptores

Los multiplexores analógicos forman parte de una categoría más amplia de interruptores electrónicos que están disponibles en un gran número de configuraciones, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2: Algunas configuraciones comunes de interruptores y multiplexores. Los interruptores difieren de los multiplexores analógicos en que las salidas no se unen entre sí; se pueden enrutar independientemente. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Los multiplexores se configuraron para seleccionar cualquiera de las entradas de 2^N con modelos comúnmente disponibles que van del 2:1 al 16:1. Para cada configuración de 2^N del multiplexor, el número de líneas de control digital es igual a N. Por lo tanto, un multiplexor 8:1 necesita tres líneas de control. Las configuraciones de los interruptores se describen por el número de entradas o "polos" y el número de salidas o "tiros". Un interruptor SPST (unipolar de un solo tiro) cuenta con una sola entrada y una sola salida. Un interruptor SPST (unipolar de doble tiro) cuenta con una sola entrada y dos salidas. Los fabricantes de IC (circuitos integrados) a menudo empaquetan múltiples interruptores en un solo paquete de IC y describen los múltiples interruptores como si tuviesen múltiples canales, como el interruptor SPST de cuatro canales que se muestra en la Figura 2.

Los interruptores SPST y SPDT son las dos configuraciones de interruptor más comunes. También existen interruptores unipolares de tres tiros (SP3T) y unipolares de cuatro tiros (SP4T) que se utilizan en aplicaciones de RF (radiofrecuencia).

Los interruptores se pueden diseñar para tener características dinámicas específicas que afecten lo que sucede cuando se cambian los contactos del interruptor. Si el interruptor se diseñó para una "conexión previa a la interrupción", significa que la conexión inicial se mantiene hasta que se realice la nueva conexión. El contacto móvil nunca ve una condición abierta. Por otro lado, un interruptor de "interrupción previa a la conexión" corta la conexión original antes de que se realice una nueva, de modo que no haya cortocircuitos en los contactos adyacentes.

Interruptores CMOS

La mayoría de los diseños actuales de multiplexores e interruptores analógicos emplean FET (transistores de efecto de campo) CMOS (semiconductores de metal - óxido complementarios). Un elemento de interruptor bilateral representativo emplea dos FET CMOS complementarios, un canal N y un dispositivo de canal P, conectados en paralelo (Figura 3).

Figura 3: Un elemento de interruptor multiplexor básico y su circuito equivalente. Los FET complementarios permiten la operación bilateral para que pueda cambiar las señales en cualquier dirección. (Fuente de la imagen: DigiKey)

La disposición paralela produce una ruta de conducción que puede manejar señales de cualquiera de las dos polaridades. Esta combinación también minimiza la resistencia de encendido (R_On) de la serie y reduce la sensibilidad al voltaje Los elementos significativos del circuito equivalente son R_On y la capacitancia del canal, C_D.

La resistencia de encendido junto con la resistencia de la fuente, R_Sourcey la resistencia de la carga, R_Load, afectan la ganancia del interruptor cuando se cierra. La resistencia de encendido también varía con el voltaje de señal aplicado. La resistencia de encendido y la combinación en paralelo de C_D y la capacitancia de carga C_Load afectan la dinámica de ancho de banda y conmutación, principalmente el tiempo de conmutación. En general, los diseñadores deben buscar minimizar tanto R_On como C_D. También existe una corriente de fuga en la ruta de la señal que afecta el desplazamiento de DC (corriente directa).

Cuando se abre el interruptor, la capacitancia del conector de partes opuestas, C_F, proporciona una ruta alrededor del interruptor, lo que limita las capacidades de aislamiento. Durante el cierre del interruptor, la carga se comparte entre la capacitancia de la fuente, C_S, y las capacitancias del canal y de la carga, lo que tiene como resultado la conmutación de los transitorios.

Como se muestra en la Figura 1, los efectos de la resistencia de encendido de un interruptor se pueden minimizar almacenando en búfer la salida del interruptor con un amplificador de búfer con una resistencia de entrada muy alta. Esta configuración de circuito reduce la pérdida de ganancia y minimiza los efectos de la variación de la resistencia de encendido. Sin embargo, puede aumentar el voltaje de desplazamiento debido a la corriente de fuga. Existe aquí una compensación de ingeniería que generalmente se resuelve seleccionando componentes con la mínima corriente de fuga posible.

Multiplexor analógico y soluciones de interruptor

El multiplexor 8:1 TMUX1108PWR de Texas Instruments es un ejemplo de un multiplexor de precisión destinado a conectarse con un ADC. Tiene un rango de voltaje de alimentación (V_DD) de 1.08 a 5 voltios. Los voltajes de señal pueden variar de 0 voltios a V_DD y admiten señales analógicas o digitales bidireccionales. La resistencia de la serie del canal, R_On, suele ser de 2.5 Ω (ohmio) y la corriente de fuga es inferior a 3 pA (picoamperio). La capacitancia de encendido es de 65 pF, lo que tiene como resultado un tiempo de transición entre canales de normalmente 14 ns (nanosegundo) y un ancho de banda de 90 MHz (megaherzio).

Existe una serie de configuraciones disponibles en la serie de multiplexores TMUX11xx. Por ejemplo, el TMUX1109RSVR es un multiplexor 4:1 de doble canal. Tiene el mismo rango de suministro de energía y especificaciones de fuga que el TMUX1108PWR, pero tiene una resistencia de encendido de 1.35 Ω (normalmente) y un ancho de banda máximo de 135 MHz. Este dispositivo cuenta con dos multiplexores 4:1, que se pueden usar como un multiplexor diferencial 4:1 o como dos multiplexores de terminación única 4:1 (Figura 4).

Este es un ejemplo de aplicación de un sistema de adquisición de datos diferencial de cuatro canales basado en un ADC de aproximación sucesiva de muestreo simultáneo dual. Existen cuatro canales diferenciales por ADC. Cada ADC de 16 bits tiene una frecuencia de muestreo de 3 MS/s (megamuestra por segundo) para señales con amplitudes de hasta ±3.8 voltios. Las aplicaciones para este tipo de sistema de adquisición incluyen control óptico, industrial y de motor.

Figura 4: Una aplicación para dos multiplexores 4:1 duales es un sistema de adquisición de señal diferencial de cuatro canales con un ancho de banda de 16.45 MHz destinado a manejar señales de control óptico, industrial o de motor. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

La topología de multiplexor más simple es un multiplexor 2:1 de un solo canal. Esto es básicamente un interruptor SPDT. El TMUX1119DCKR de Texas Instruments es una versión de precisión de un multiplexor 2:1. Comparte el mismo rango de suministro de energía y corriente de fuga que los otros miembros de la familia TMUX11xx. La resistencia de encendido es normalmente de 1.8 Ω y el ancho de banda máximo es de 250 MHz.

Entre las aplicaciones para el multiplexor 2:1, se está usando dos de ellos como un interruptor de inversión (Figura 5). El circuito es el de un sistema de medición de gas que utiliza mediciones diferenciales de tiempo de vuelo para determinar la velocidad del flujo. Existen dos transductores de ultrasonido colocados en una tubería a una distancia conocida. Se mide el tiempo de propagación de un transductor al otro, luego los transductores se invierten para medir el tiempo de propagación en la otra dirección. La velocidad de flujo del gas de la tubería se calcula a partir de la diferencia de tiempo. Se utilizan dos multiplexores TMUX1119 para invertir las conexiones del transductor. Este es un ejemplo de señales de enrutamiento de un multiplexor a las entradas del analizador de flujo de gas. La corriente de fuga ultra baja y la planeidad de la resistencia de encendido de este multiplexor lo convierten en una excelente opción para esta aplicación.

Figura 5: El esquema muestra el uso de dos multiplexores 2:1 para invertir las conexiones en un par de transductores ultrasónicos de un analizador de flujo de gas. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Además de estas diversas configuraciones de multiplexor, se pueden empaquetar múltiples interruptores independientes en un IC. Considere el interruptor SPST de cuatro circuitos TMUX6111RTER de Texas Instruments (Figura 6). Este dispositivo cuenta con una corriente de fuga muy baja de 0.5 pA y un ancho de banda de 800 MHz. La resistencia de encendido es moderada de 120 Ω.

Figura 6: El interruptor SPST de cuatro circuitos TMUX611RTER incluye cuatro interruptores independientes con una corriente de fuga muy baja y un ancho de banda de 800 MHz. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Este es uno de los tres dispositivos de esta serie de productos que ofrece cuatro interruptores independientes. Esta versión tiene cuatro interruptores normalmente abiertos. Otra versión tiene cuatro interruptores normalmente cerrados, mientras que una tercera versión está disponible con dos de cada tipo de interruptor.

Conclusión

Los multiplexores y los interruptores analógicos permiten un gran ahorro de espacio, costo y energía en relación con los componentes, ya que permiten que múltiples sensores compartan un ADC común. También ofrecen una gran flexibilidad para cambiar las conexiones de circuitos bajo el control de una computadora, ya sea al compartir buses de comunicaciones o al cambiar las conexiones de transductores.