아날로그 멀티플렉서 및 스위치로 리소스를 공유하여 공간, 비용, 전력 절약

설계자는 여러 센서를 디지털화하거나 여러 트랜시버를 일반 통신 버스에 연결하는 데 가장 효과적인 비용, 전력, 공간 효율적인 방법을 찾는 데 어려움이 있습니다. 그 해결 방법은 일반 리소스를 공유하여 전체 신호 체인과 관련 부품이 중복되는 것을 방지하는 것입니다.

이렇게 하려면 아날로그 멀티플렉서를 사용하여 입력을 멀티플렉싱합니다. 그러면 여러 센서를 아날로그 디지털 컨버터(ADC)의 입력에 연결하여 각 트랜스듀서를 디지털화할 수 있습니다. 동일한 방법을 통신 버스에 적용할 수 있습니다. 이 경우 각 트랜시버가 일정한 간격으로 버스를 공유할 수 있습니다.

아날로그 스위치 및 멀티플렉서의 주요 특징은 입력과 출력 사이에 양방향 경로를 모두 제공하고 누화 및 누설 전류를 최소화하면서 높은 신호 무결성을 제공한다는 것입니다.

이 기사에서는 아날로그 멀티플렉서와 스위치 구성을 설명한 후 이러한 장치의 기능과 유연성을 보여주는 Texas Instruments의 적합한 솔루션을 소개합니다. 그런 다음 아날로그 스위치와 멀티플렉서를 적용하여 리소스를 공유하는 방법을 살펴봅니다.

아날로그 멀티플렉서

멀티플렉서는 여러 입력 소스를 일반 출력 라인에 선택적으로 연결하는 전자 스위치입니다(그림 1).

그림 1: 4:1 멀티플렉서를 사용하여 네 센서의 아날로그 출력을 순차적으로 디지털화하는 일반적인 아날로그 멀티플렉서 응용입니다. 논리 신호 A0 및 A1의 이전 상태에 따라 ADC에 연결되는 입력이 결정됩니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

그림 1은 4:1 아날로그 멀티플렉서를 통해 일반 ADC에 연결된 네 센서를 보여줍니다. 논리 신호 쌍 A0 및 A1은 ADC에 연결되는 센서를 제어합니다. 센서가 시간에 따라 빠르게 변경되지 않는 물리적 특성을 보고하므로 순차적 샘플링으로 인해 데이터 손실 위험이 발생하지 않습니다. 네 센서 모두에 대해 단일 ADC 및 관련 회로망만 사용하므로 전체 부품 수가 감소하고, 그로 인해 전체 설계 비용을 절감할 수 있다는 점을 주요 이점으로 들 수 있습니다.

멀티플렉서 및 스위치 구성

아날로그 멀티플렉서는 그림 2와 같이 여러 구성으로 제공되는 광범위한 전자 스위치 종류의 일부입니다.

그림 2: 일부 일반 스위치 및 멀티플렉서 구성 스위치는 출력이 함께 연결되지 않고 개별적으로 연결할 수 있다는 점에서 아날로그 멀티플렉서와 다릅니다. (이미지 출처: DigiKey)

멀티플렉서는 2:1부터 16:1까지 일반적으로 사용 가능한 모델 범위와 함께 2^N 입력을 선택하도록 구성됩니다. 각 멀티플렉서 2^N 구성에서 디지털 제어 라인 수는 N과 같습니다. 따라서 8:1 멀티플렉서의 경우 세 개의 제어 라인이 필요합니다. 스위치 구성은 입력 또는 “극” 수와 출력 또는 “투구” 수로 설명됩니다. 단극 단투(SPST) 스위치는 입력 1개와 출력 1개가 있습니다. 단극 쌍투(SPDT) 스위치는 입력 1개와 출력 2개가 있습니다. 집적 회로(IC) 제조업체는 주로 여러 스위치를 단일 IC 패키지로 제공하고 여러 스위치를 여러 채널로 설명합니다(예: 그림 2의 4채널 SPST 스위치).

SPST 및 SPDT 스위치는 가장 일반적인 두 가지 스위치 구성입니다. 무선 주파수(RF) 응용 분야에 사용되는 단극 3투(SP3T) 및 단극 4투(SP4T) 스위치도 있습니다.

스위치 접점이 변경될 때 발생하는 사항에 영향을 주는 특정 동적 특성을 갖도록 스위치를 설계할 수 있습니다. 스위치가 “단절 전 접속”하도록 설계된 경우 새 연결이 설정될 때까지 초기 연결이 유지됩니다. 움직이는 접점은 열린 조건을 표시하지 않습니다. 반면, “접속 전 단절” 스위치에서는 인접한 접점이 단락되지 않도록 새 연결을 설정하기 전에 원래 연결을 끊습니다.

CMOS 스위치

최신 아날로그 스위치 및 멀티플렉서 설계에서는 상보형 금속 산화 반도체(CMOS) 전계 효과 트랜지스터(FET)를 채택합니다. 대표적인 쌍방 스위치 소자는 상보형 CMOS FET 2개, N채널 장치 1개 및 P채널 장치 1개를 병렬로 연결합니다(그림 3).

그림 3: 기본 멀티플렉서 스위치 소자 및 등가 회로 상보형 FET를 사용하면 쌍방 작업이 가능하므로 신호를 한 방향으로 전환할 수 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

병렬 배열은 두 극성의 신호를 처리할 수 있는 전도 경로를 생성합니다. 또한 이 조합은 계열 온스테이트 저항(R_On)을 최소화하고 전압 감도를 낮춥니다. 등가 회로의 중요 요소는 R_On 및 채널 정전 용량 C_D입니다.

소스 저항(R_Source) 및 부하 저항(R_Load)과 함께 온스테이트 저항은 닫힌 상태일 때 스위치의 이득에 영향을 줍니다. 또한 온스테이트 저항은 적용된 신호 전압에 따라 달라집니다. C_D 및 부하 정전 용량 C_Load의 병렬 조합과 온스테이트 저항은 대역폭과 스위칭 역학(주로 전환 시간)에 영향을 줍니다. 일반적으로 설계자는 R_On과 C_D를 모두 최소화해야 합니다. 또한 직류(DC) 오프셋에 영향을 주는 신호 경로에 누설 전류가 있습니다.

스위치가 열려 있는 경우 피드 스루 정전 용량(C_F)이 스위치 주위에 경로를 제공하여 분리 기능을 제한합니다. 스위치가 닫혀 있는 동안에는 소스 정전 용량(C_S)과 채널 및 부하 정전 용량 사이에 전하가 공유되어 스위칭 과도 상태가 발생합니다.

그림 1과 같이 매우 높은 입력 저항을 가진 버퍼 증폭기로 스위치 출력을 버퍼링하여 스위치의 온스테이트 저항 효과를 최소화할 수 있습니다. 이 회로 구성은 이득 손실을 줄이고 온스테이트 저항 변화를 최소화합니다. 하지만 누설 전류로 인해 오프셋 전압이 높아질 수 있습니다. 여기서 엔지니어링 트레이드 오프가 발생하는 데 이는 최소 가능 누설 전류를 가진 부품을 선택하면 일반적으로 해결됩니다.

아날로그 멀티플렉서 및 스위치 솔루션

Texas Instruments TMUX1108PWR 8:1 멀티플렉서는 ADC와 결합할 수 있는 정밀 멀티플렉서의 한 예입니다. 이 멀티플렉서의 공급 전압(V_DD) 범위는 1.08V ~ 5V입니다. 신호 전압 범위는 0V ~ V_DD이고 양방향 아날로그 또는 디지털 신호를 지원합니다. 채널 계열 저항 R_On은 일반적으로 2.5Ω이고 누설 전류는 3pA보다 작습니다. 정전 용량이 65pF일 때 채널 간 전환 시간은 일반적으로 14ns이고 대역폭은 90MHz입니다.

TMUX11xx 멀티플렉서 계열에서 사용할 수 있는 구성은 다양합니다. 예를 들어 TMUX1109RSVR은 이중 채널 4:1 멀티플렉서입니다. 전원 공급 장치 범위 및 누설 사양은 TMUX1108PWR과 동일하지만 온스테이트 저항은 1.35Ω(일반)이고 최대 대역폭은 135MHz입니다. 이 장치는 4:1 멀티플렉서 두 개를 제공하여, 4:1 차동 멀티플렉서 또는 두 4:1 단일 종단 멀티플렉서로 사용할 수 있습니다(그림 4).

이는 이중 동시 샘플링 연속 근사화 ADC를 기반으로 하는 차동 4채널 데이터 취득 시스템 응용 분야의 한 예입니다. ADC당 4개의 차동 채널이 있습니다. 각 16비트 ADC의 신호에 대한 샘플링 속도는 3MS/s이고 진폭은 최대 ±3.8V입니다. 이 유형의 취득 시스템은 광학, 산업, 모터 제어기 등에 적용됩니다.

그림 4: 이중 4:1 멀티플렉서 2개가 대역폭이 16.45MHz인 4채널 차동 신호 취득 시스템에서 광학, 산업 또는 모터 제어기 신호 처리용으로 사용됩니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

가장 간단한 멀티플렉서 토폴로지는 단일 채널 2:1 멀티플렉서입니다. 이는 기본적으로 SPDT 스위치입니다. Texas Instruments TMUX1119DCKR은 정밀 버전 2:1 멀티플렉서입니다. 이 멀티플렉서는 TMUX11xx 제품군의 다른 제품과 동일한 전원 공급 장치 범위 및 누설 전류를 공유합니다. 온스테이트 저항은 일반적으로 1.8Ω이고 최대 대역폭은 250MHz입니다.

2:1 멀티플렉서 두 개를 가역성 스위치로 사용하는 경우도 있습니다(그림 5). 이 회로는 차동 ToF(시간차) 측정을 사용하여 흐름 속도를 확인하는 가사 계량 시스템의 회로입니다. 파이프에 두 개의 초음파 트랜스듀서가 알려진 간격으로 배치되어 있습니다. 트랜스듀서에서 다른 트랜스듀서까지의 전파 시간을 측정한 다음 트랜스듀서를 역순으로 하여 반대 방향의 전파 시간을 측정합니다. 파이프의 가스 흐름 속도는 시간 차이로 계산합니다. 두 TMUX1119 멀티플렉서를 사용하여 트랜스듀서 연결 순서를 반대로 바꿉니다. 이는 가스 흐름 분석기 입력에 대한 멀티플렉서 라우팅 신호의 예입니다. 이 멀티플렉서는 온스테이트 저항의 일관된 초저누설 전류로 인해 이러한 응용 분야에 매우 적합합니다.

그림 5: 회로도에서는 두 2:1 멀티플렉서를 사용하여 가스 흐름 분석기의 초음파 트랜스듀서 쌍의 연결 순서를 바꾸는 것을 보여줍니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

이러한 다양한 멀티플렉서 구성 외에도 여러 개별 스위치를 IC에 연결할 수 있습니다. Texas Instruments TMUX6111RTER 4회로 SPST 스위치를 고려해 보십시오(그림 6). 이 장치는 0.5pA의 초저누설 전류와 800MHz의 대역폭을 제공합니다. 온스테이트 저항은 120Ω으로 중간 정도입니다.

그림 6: TMUX611RTER 4회로 SPST 스위치에는 초저누설 전류와 800MHz의 대역폭을 제공하는 4개의 독립 스위치가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

이것은 4개의 독립 스위치를 제공하는 제품 계열의 세 장치 중 하나로, 이 버전에는 일반적으로 4개의 개방형 스위치가 있습니다. 두 번째 버전에는 일반적으로 4개의 폐쇄형 스위치가 있고, 세 번째 버전에는 각 유형의 스위치가 두 개씩 포함되어 있습니다.

결론

아날로그 스위치와 멀티플렉서를 사용하면 여러 센서에서 일반 아날로그 디지털 컨버터를 공유할 수 있으므로 부품 공간, 비용, 전력의 측면에서 매우 경제적입니다. 또한 통신 버스를 공유할지 트랜스듀서 연결을 변경할지 여부에 상관없이 컴퓨터 제어 중인 회로 연결을 매우 유연하게 변경할 수 있습니다.