Économies d'espace, de coûts et d'énergie en utilisant des multiplexeurs et des commutateurs analogiques pour partager des ressources

Les concepteurs ont souvent du mal à trouver le moyen le plus rentable en termes de coûts, d'énergie et d'espace pour numériser plusieurs capteurs ou router plusieurs émetteurs-récepteurs vers un bus de communication commun. La solution consiste à partager les ressources communes pour éviter de dupliquer des chaînes de signaux complètes et leurs composants connexes.

Cela s'effectue par le multiplexage des entrées à l'aide de multiplexeurs analogiques. Ces derniers peuvent relier plusieurs capteurs à l'entrée d'un convertisseur analogique-numérique (CAN), en numérisant chaque transducteur à tour de rôle. La même méthode peut s'appliquer aux bus de communication, où chaque émetteur-récepteur peut partager le bus pendant un intervalle de temps fixe.

Les caractéristiques clés des commutateurs et des multiplexeurs analogiques reposent sur le fait qu'ils offrent des trajets bidirectionnels entre les entrées et les sorties, ainsi qu'une haute intégrité des signaux avec une diaphonie et des courants de fuite minimum.

Cet article décrit les configurations des multiplexeurs et des commutateurs analogiques, puis présente des solutions de Texas Instruments pour démontrer les capacités et la flexibilité de ces dispositifs. Il fournit ensuite de précieuses informations sur l'application des commutateurs et des multiplexeurs analogiques pour partager des ressources.

Multiplexeurs analogiques

Un multiplexeur est un commutateur électronique qui connecte plusieurs sources d'entrée à une ligne de sortie commune de manière sélective (Figure 1).

Figure 1 : Une application de multiplexeur analogique typique utilisant un multiplexeur 4:1 pour numériser les sorties analogiques de quatre capteurs de manière séquentielle. L'état binaire des signaux logiques A0 et A1 détermine l'entrée connectée au CAN. (Source de l'image : Texas Instruments)

La Figure 1 montre quatre capteurs connectés à un CAN commun grâce à un multiplexeur analogique 4:1. Une paire de signaux logiques, A0 et A1, contrôle la sélection du capteur connecté au CAN. Étant donné que les capteurs signalent des caractéristiques physiques qui ne changent pas rapidement, l'échantillonnage séquentiel ne présente aucun risque de perte de données. Le principal avantage est la réduction du nombre global de composants en utilisant un seul CAN et les circuits associés pour les quatre capteurs, ce qui permet de réduire le coût total de conception.

Configurations de multiplexeurs et de commutateurs

Les multiplexeurs analogiques font partie d'une plus vaste catégorie de commutateurs électroniques disponibles dans des configurations variées, comme indiqué à la Figure 2.

Figure 2 : Quelques configurations courantes de multiplexeurs et de commutateurs. Les commutateurs diffèrent des multiplexeurs analogiques du fait que leurs sorties ne sont pas reliées et peuvent être routées de manière indépendante. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Les multiplexeurs sont configurés de manière à sélectionner n'importe quelle entrée parmi 2^N entrées et sont généralement disponibles dans des modèles 2:1 à 16:1. Dans chaque configuration 2^N, le nombre de lignes de commande numériques équivaut à N. Ainsi, un multiplexeur 8:1 nécessite trois lignes de commande. Les configurations des commutateurs sont décrites en fonction du nombre d'entrées ou « pôles » et du nombre de sorties ou « directions ». Un commutateur unipolaire unidirectionnel (SPST) présente une seule entrée et une seule sortie. Un commutateur unipolaire bidirectionnel (SPDT) présente une seule entrée et deux sorties. Les fabricants de circuits intégrés incluent souvent plusieurs commutateurs dans un seul boîtier de circuit intégré et parlent de commutateurs à plusieurs canaux, à l'exemple du commutateur SPST à quatre canaux illustré à la Figure 2.

Les commutateurs SPST et SPDT sont les deux configurations de commutateur les plus courantes. Il existe également des commutateurs unipolaires tridirectionnels (SP3T) et unipolaires quadridirectionnels (SP4T), utilisés dans les applications radiofréquences (RF).

Les commutateurs peuvent être conçus avec des caractéristiques dynamiques spécifiques qui ont un impact sur ce qui se passe en cas de modification des contacts du commutateur. Si le commutateur est « court-circuitant », alors la connexion initiale est maintenue jusqu'à l'établissement de la nouvelle connexion. Le contact mobile n'est jamais à l'état ouvert. En revanche, un commutateur « non court-circuitant » coupe la connexion d'origine avant qu'une nouvelle connexion ne soit établie, de sorte qu'aucun contact adjacent ne soit court-circuité.

Commutateurs CMOS

Les dernières conceptions de multiplexeurs et commutateurs analogiques utilisent des transistors à effet de champ (FET) CMOS. Un élément de commutateur bilatéral représentatif utilise deux FET CMOS complémentaires, un dispositif à canal N et un à canal P, montés en parallèle (Figure 3).

Figure 3 : Un élément de commutateur multiplexeur de base et son circuit équivalent. Les FET complémentaires permettent un fonctionnement bilatéral, c'est-à-dire une commutation des signaux dans les deux directions. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

La disposition en parallèle produit un chemin de conduction pouvant gérer des signaux de n'importe quelle polarité. Cette combinaison limite également la résistance à l'état passant (R_On) série et réduit la sensibilité de tension. Les éléments importants du circuit équivalent sont la résistance R_On et la capacité de canal (C_D).

La résistance à l'état passant, la résistance source (R_Source) et la résistance de charge (R_Load) affectent le gain du commutateur à l'état fermé. La résistance à l'état passant varie également avec la tension de signal appliquée. La résistance à l'état passant et la combinaison parallèle de C_D et de la capacité de charge C_Load affectent la largeur de bande et la dynamique de commutation, et donc le temps de commutation. En général, les concepteurs doivent réduire les valeurs R_On et C_D. Le courant de fuite au niveau du trajet du signal affecte également le décalage en continu (CC).

Lorsque le commutateur est ouvert, la capacité de traversée (C_F) fournit un trajet qui contourne le commutateur, ce qui limite les capacités d'isolement. Lorsque le commutateur est fermé, la charge est partagée entre la capacité source (C_S) et les capacités de canal et de charge, résultant en des transitoires de commutation.

Comme illustré à la Figure 1, les effets de la résistance à l'état passant d'un commutateur peuvent être limités par la mise en tampon de la sortie du commutateur avec un amplificateur séparateur doté d'une très haute résistance d'entrée. Cette configuration de circuit réduit la perte de gain et limite les effets de la variation de la résistance à l'état passant. Cependant, elle peut augmenter la tension de décalage due au courant de fuite. Cette situation implique un compromis qui peut généralement être résolu en sélectionnant des composants dotés d'un courant de fuite aussi faible que possible.

Solutions de commutateurs et de multiplexeurs analogiques

Le multiplexeur 8:1 TMUX1108PWR de Texas Instruments est un exemple de multiplexeur de précision conçu pour être raccordé à un CAN. Il présente une plage de tensions d'alimentation (V_DD) de 1,08 V à 5 V. Les tensions de signal peuvent varier de 0 V à V_DD, prenant en charge des signaux analogiques ou numériques bidirectionnels. La résistance série des canaux, R_On, est typiquement de 2,5 ohms (Ω) et le courant de fuite est inférieur 3 picoampères (pA). La capacité à l'état passant est de 65 pF, ce qui donne un temps de transition typique entre les canaux de 14 nanosecondes (ns) et une largeur de bande de 90 mégahertz (MHz).

La série de multiplexeurs TMUX11xx propose différentes configurations. Par exemple, le TMUX1109RSVR est un multiplexeur 4:1 à deux canaux. Il présente les mêmes spécifications de plage d'alimentation et de fuite que le TMUX1108PWR, mais avec une résistance à l'état passant de 1,35 Ω (typique) et une largeur de bande maximale de 135 MHz. Ce dispositif inclut deux multiplexeurs 4:1, utilisables comme un multiplexeur différentiel 4:1 ou comme deux multiplexeurs asymétriques 4:1 (Figure 4).

Voici un exemple d'application avec un système d'acquisition des données différentiel à quatre canaux, basé sur un double CAN à approximations successives à échantillonnage simultané. Il y a quatre canaux différentiels par CAN. Chaque CAN de 16 bits présente un taux d'échantillonnage de 3 Méch./s pour des signaux d'une amplitude allant jusqu'à ±3,8 V. Ce type de système d'acquisition des données peut être utilisé dans les applications optiques, industrielles et de commande moteur.

Figure 4 : Une application pour deux multiplexeurs 4:1 doubles est un système d'acquisition de signal différentiel à quatre canaux, avec une largeur de bande de 16,45 MHz conçue pour le traitement des signaux optiques, industriels ou de commande moteur. (Source de l'image : Texas Instruments)

La topologie de multiplexeur la plus simple est celle du multiplexeur 2:1 à un seul canal. Il s'agit en fait d'un commutateur SPDT. Le TMUX1119DCKR de Texas Instruments est un multiplexeur 2:1 de précision. Il partage la même plage d'alimentation et le même courant de fuite que les autres produits de la gamme TMUX11xx. Sa résistance à l'état passant est typiquement de 1,8 Ω et sa largeur de bande maximale est de 250 MHz.

On peut par exemple utiliser deux de ces multiplexeurs 2:1 comme inverseur (Figure 5). Le circuit est celui d'un système de compteur de gaz utilisant des mesures temps de vol différentielles pour déterminer la vitesse du flux. Deux transducteurs à ultrasons sont placés dans un tuyau à une distance donnée l'un de l'autre. Le temps de propagation d'un transducteur à l'autre est mesuré, puis les transducteurs sont inversés pour mesurer le temps de propagation dans l'autre sens. La vitesse du flux de gaz dans le tuyau est calculée à partir de la différence de temps. Deux multiplexeurs TMUX1119 sont utilisés pour inverser les connexions des transducteurs. Il s'agit d'un exemple de multiplexeur acheminant des signaux vers les entrées de l'analyseur de flux de gaz. Grâce au courant de fuite ultrafaible et à l'uniformité de la résistance à l'état passant, ce multiplexeur constitue un excellent choix pour cette application.

Figure 5 : Le schéma illustre l'utilisation de deux multiplexeurs 2:1 pour inverser les connexions sur une paire de transducteurs à ultrasons dans un analyseur de flux de gaz. (Source de l'image : Texas Instruments)

Outre ces différentes configurations de multiplexeurs, de nombreux commutateurs indépendants peuvent être conditionnés dans un circuit intégré. Citons par exemple le commutateur SPST à quatre circuits TMUX6111RTER de Texas Instruments (Figure 6). Ce dispositif présente un très faible courant de fuite de 0,5 pA et une largeur de bande de 800 MHz. Sa résistance à l'état passant est modérée et s'élève à 120 Ω.

Figure 6 : Le commutateur SPST à quatre circuits TMUX6111RTER inclut quatre commutateurs indépendants présentant un très faible courant de fuite et une largeur de bande de 800 MHz. (Source de l'image : Texas Instruments)

Il s'agit de l'un des trois dispositifs de cette série de produits offrant quatre commutateurs indépendants. Cette version inclut quatre commutateurs normalement ouverts. Une autre version inclut quatre commutateurs normalement fermés, tandis qu'une troisième version est équipée de deux commutateurs de chaque type.

Conclusion

Les commutateurs et multiplexeurs analogiques permettent de faire des économies considérables en termes d'espace, de coûts et d'alimentation des composants en permettant à plusieurs capteurs de partager le même convertisseur analogique-numérique. Ils offrent également une grande flexibilité en ce qui concerne les changements de connexions de circuit à commander par ordinateur, que ce soit pour le partage de bus de communication ou le changement de connexions de transducteurs.