Integrierte Multiplexer-Schaltungen (ICs) bilden das Rückgrat der Signalführung in digitalen und analogen Systemen und ermöglichen es, dass eine einzelne Datenleitung oder ein analoger Pfad mehrere Signale auf einer Zeit-Shared-Basis übertragen kann. Von winzigen Sensorknoten bis hin zu Hochgeschwindigkeitskommunikationsgeräten beeinflusst die Wahl des Multiplexer-ICs direkt die Systemleistung, die Energieeffizienz und den Boardspace. Mit einer breiten Palette von verfügbaren kommerziellen Teilen - CMOS-, TTL- und BiCMOS-Familien - müssen Ingenieure Kompromisse in Bezug auf Kanalanzahl, Ausbreitungsverzögerung, Widerstand, Bandbreite und Stromverbrauch bewerten. Diese erweiterte Analyse taucht tief in die Funktionen und die Leistung von gängigen Multiplexer-ICs ein und bietet praktische Anleitung für die Auswahl des optimalen Geräts für Ihre Anwendung.

Multiplexer IC Basics verstehen

Ein Multiplexer (MUX) wählt eines von mehreren Eingangssignalen aus und leitet es an einen einzigen Ausgang weiter. In der digitalen Elektronik werden Multiplexer typischerweise durch ihre Kanalzahl (z. B. 2 zu 1, 4 zu 1, 8 zu 1) und die Logikfamilie, zu der sie gehören, beschrieben. Neben der digitalen Auswahl verarbeiten viele kommerzielle Multiplexer-ICs auch analoge Signale, was sie zu echten "Analogschaltern" macht. Die Unterscheidung zwischen digitalen und analogen Multiplexern ist entscheidend: digitale MUXes müssen nur Logikpegel (0 oder 1) passieren, während analoge MUXes die Signalintegrität und Linearität bewahren müssen und sowohl positive als auch negative Spannungen behandeln.

Die beiden dominanten Logikfamilien sind CMOS (Complementary Metal‐Oxide‐Semiconductor) und TTL (Transistor‐Transistor Logic). CMOS-Multiplexer wie der 74HC4051 verbrauchen sehr wenig statische Leistung und bieten breite Versorgungsspannungsbereiche (normalerweise 2 V bis 6 V oder mehr). TTL-Teile wie der 74LS151 sind schneller, ziehen aber mehr Leistung und sind auf 5 V-Betrieb beschränkt. Eine dritte Familie, ECL (Emitter‐Coupled Logic), erreicht die höchsten Geschwindigkeiten, benötigt jedoch negative Versorgungsspannungen und dissipiert signifikante Leistung, was ihre Verwendung auf Ultra‐High‐Speed-Anwendungen beschränkt.

Wesentliche Leistungsparameter

Die Auswahl eines Multiplexer-IC erfordert die Auswertung mehrerer voneinander abhängiger Spezifikationen.

  • Zahl der Kanäle: Bestimmt, wie viele Eingänge umgeschaltet werden können. Gemeinsame Größen sind 2:1, 4:1, 8:1 und 16:1. Dual- und Quad-Versionen (z. B. Dual 4:1) sparen Board-Platz in Multisignalsystemen.
  • On-Resistance (RON): Für analoge Multiplexer ist der Widerstand zwischen Eingang und Ausgang bei geschlossenem Schalter gering.
  • Bandbreite: Die Frequenz, bei der die Amplitude des Ausgangssignals um 3 dB abfällt. Hochbandbreitenmultiplexer (über 500 MHz für einige Videoschalter) werden für HF-, Video- und schnelle digitale Signale benötigt.
  • Propagation Delay: Für digitale Multiplexer ist die Zeit von einem Wechsel an den ausgewählten Eingängen zu dem entsprechenden Wechsel am Ausgang.
  • Crosstalk: Unerwünschte Kopplung von einem Kanal zum anderen, oft bei einer bestimmten Frequenz (z. B. -80 dB bei 1 MHz) spezifiziert.
  • Stromverbrauch:Ruhe und dynamische Leistung. CMOS-Teile haben nahezu Null statischen Strom, während TTL-Teile sogar im Leerlauf Milliampere zeichnen. Für batteriebetriebene IoT-Geräte steht eine geringe Leistung an erster Stelle.
  • Versorgungsspannungsbereich: CMOS-Multiplexer arbeiten oft von 2 V bis 12 V oder höher, so dass die Verwendung in 3,3 V und 5 V-Systeme.
  • ESD-Schutz: Integrierte Dioden schützen vor elektrostatischer Entladung. Ratings von 2 kV (HBM) oder höher sind typisch, aber einige Anwendungen erfordern robusten 8-kV-Schutz auf I/Os.
  • Pakettyp: Vom DIP für Prototyping bis zum ultrakleinen QFN oder CSP für raumgestützte Designs. Die thermische Leistung und die parasitäre Kapazität müssen bei hochfrequenten Signalen berücksichtigt werden.

Vergleich von gängigen kommerziellen Multiplexer-ICs

Jede Multiplexer-IC-Familie bietet deutliche Vorteile: In den folgenden Abschnitten werden die weit verbreiteten Geräte detailliert beschrieben, wobei ihre Stärken und typischen Anwendungsszenarien hervorgehoben werden.

74HC4051 – CMOS 8‐to‐1 Analog/Digital Multiplexer

Der 74HC4051 ist ein Arbeitspferd der Industrie, der einen 8-Kanal-Analogmultiplexer mit drei digitalen Auswahlleitungen und einem Enable-Pin kombiniert. Er arbeitet in High-Speed-CMOS (HCMOS), arbeitet von 2 V bis 10 V und weist einen typischen ]-Aufwiderstand von 70 Ω auf (bei 4,5 V Versorgung). Die Ausbreitungsverzögerung für digitale Signale beträgt etwa 10 ns bis 20 ns, wodurch er für die allgemeine Logikumschaltung bis zu einigen MHz geeignet ist. Sein Übersprechen beträgt typischerweise -50 dB bei 1 MHz, ausreichend für Audio- und langsame analoge Signale.

Anwendungen sind Datenerfassungs-Front-Ends, Sensormultiplexing und Audiosignal-Routing. Der 74HC4051 ist auch in Varianten wie dem 74HCT4051 erhältlich, der an den Steuerpins unter Beibehaltung der CMOS-Eigenschaften TTL-kompatibel ist. Für niedrigere RON (ca. 30 Ω) betrachten Sie das Geschwisterpaar des 74HC4051, den 74HC4067 (16-Kanal-Version) oder neuere Analogschalter aus der 74LVC-Familie.

74LS151 – TTL 8‐to‐1 Digital Multiplexer

Der 74LS151 ist ein klassisches TTL-Teil, das 8-Eingangs-Digitalmultiplexing mit komplementären Ausgängen (Y und Y̅) ermöglicht. Er arbeitet mit einer 5 V-Versorgung (±5 %) und bietet eine typische Ausbreitungsverzögerung von 15 ns bei 15 pF Last. Der Stromverbrauch ist höher als bei CMOS: Das Gerät zieht etwa 10 mA Ruhestrom auf. Seine Rauschmarge und seine Ausgangsantriebsfähigkeit sind gut geeignet für die Verbindung mit anderen TTL-Logik-Gattern in Altsystemen.

Wegen seiner Geschwindigkeit wird der 74LS151 häufig in der Adressdekodierung, Datenrouting und programmierbaren Logikfunktionen eingesetzt, für moderne 3,3 V- oder Niederspannungskonstruktionen werden jedoch CMOS-Ersatzgeräte wie der 74LVC151 (erhältlich in 1,65 V bis 5,5 V) für einen geringeren Strom- und Spannungsbereich bevorzugt.

CD74HC4052 – Dual 4‐zu‐1 Multiplexer

Der CD74HC4052 integriert zwei unabhängige 4-Kanal-Multiplexer in einem einzigen 16-Pin-Paket. Jeder Abschnitt teilt sich gemeinsame Auswahlleitungen (S0, S1) und einen Enable-Pin, hat jedoch eigene I/O-Pins. Diese Konfiguration ist ideal für differenzielle Signalpaare (z. B. LVDS, analoge Sensor-Differentialausgänge) oder für das Multiplexen von vier Stereo-Audioquellen. Die Leistung spiegelt die des 74HC4051 wider: typische RON von 70 Ω, breite Versorgungsreichweite (2 V bis 10 V) und geringe Leistung.

Beim Design mit dem CD74HC4052 ist auf das PCB-Layout zu achten, um das Übersprechen unter –55 dB zu halten. Das Gerät wird auch in einer TTL-kompatiblen Version, dem CD74HCT4052, angeboten.

ADG708 – Low‐RON 8‐to‐1 Analog-Multiplexer

Für Anwendungen, die eine minimale Signaldegradation erfordern, liefert der ADG708 von Analog Devices einen typischen **on‐Widerstand von nur 2,5 Ω** (mit einer Flachheit von 0,5 Ω über den analogen Bereich). Dieser CMOS-Multiplexer arbeitet von einer einzigen 1,8 V bis 5,5 V-Versorgung oder von einer doppelten ±2,5 V-Versorgung und ist damit sowohl mit digitalen Niederspannungssystemen als auch mit industriellen analogen Signalen kompatibel. Seine –3 dB Bandbreite übersteigt 55 MHz und das Übersprechen ist besser als –70 dB bei 1 MHz.

Der ADG708 ist in der Präzisionsdatenerfassung, in Batterieüberwachungssystemen und in der Audiosignalführung üblich, bei der die Verzerrung unter 0,01 % liegen muss. Das kleine QFN-Paket (4 mm × 4 mm) spart erheblichen Platz auf der Platine. Zum weiteren Lesen ist unten ein Datenblattlink vorgesehen.

74HC157 – Quad 2‐to‐1 Multiplexer

Wenn mehrere 2-Eingangs-Auswahlen erforderlich sind, packt der 74HC157 vier unabhängige 2-1 Multiplexer in einem einzigen Chip. Jeder MUX wählt zwischen zwei 1-Bit-Eingängen basierend auf einer gemeinsamen Auswahlleitung, wobei die Ausgänge gemeinsam durch einen Enable-Pin aktiviert werden. Die Propagationsverzögerung beträgt typischerweise 10 ns bei 5 V und der Stromverbrauch ist Mikroampere ruhend. Dieser Teil wird stark im Mikroprozessorbus-Multiplexing, Registerdateidesign und Logikersatz verwendet.

74F258 – Schneller TTL 8‐zu‐1 Multiplexer

Für digitale Hochgeschwindigkeitsumgebungen, in denen die Verzögerung des 74LS151 von 15 ns nicht ausreicht, bietet der 74F258 (Teil der FAST-Logikfamilie) eine typische Ausbreitungsverzögerung von **5 ns** bei 5 V. Er verbraucht etwa 20 mA Ruhestrom, bietet jedoch eine höhere Ausgangsleistung und eine ausgezeichnete Störfestigkeit. Der 74F258 ist ein direktes pinkompatibles Upgrade des 74LS151 in vielen Anwendungen, wie z. B. Hochleistungs-Arithmetikeinheiten und Cache-Speicheradressen-Routing.

Zweck-Multiplexer-ICs

Neben allgemeinen Zwecken zielen mehrere Multiplexer-ICs auf bestimmte Domänen ab:

  • Video-Multiplexer: Der AD8108 (8×8-Kreuzungspunktschalter) bietet 500 MHz Bandbreite und -60 dB Crosstalk bei 10 MHz, entwickelt für das Routing mehrerer analoger Videoströme in Broadcast- und Überwachungsgeräten.
  • Differential Multiplexer: Teile wie der MAX14776 von Maxim bieten eine 4-Kanal-Differentialschaltung mit integriertem Schutz, ideal für die RS-485- oder CAN-Busauswahl.
  • Fail‐Safe und Hot‐Swap Multiplexer: Einige industrielle Multiplexer beinhalten eingebaute Überspannungsklemmung (z. B. ±25 V Toleranz) und Unterstützung für die Stromsequenzierung, um nachgelagerte Stromkreise zu schützen.
  • Hochgeschwindigkeits-Digital-MUXes: Der 74AVC8T245 von NXP integriert sowohl Level-Translation als auch Multiplexing für bidirektionalen Datenfluss über 3,3 V- und 1,8 V-Domänen.

Anwendungserwägungen

Um das volle Potenzial eines Multiplexer-ICs zu realisieren, muss auf Details auf Board-Ebene geachtet werden:

  • Hochfrequente Signale, die durch einen Multiplexer geleitet werden, können unter parasitärer Kapazität und Induktivität leiden.
  • Stromentkopplung: Platzieren Sie einen 0,1 μF Keramikkondensator in der Nähe jedes Versorgungspins, insbesondere für CMOS-Multiplexer, die während des Schaltens transiente Ströme zeichnen.
  • Logic Level Translation: Wenn Steuersignale aus einem anderen Spannungsbereich kommen, stellen Sie sicher, dass die digitalen Eingänge des Multiplexers diese Pegel akzeptieren. Die 74HCT-Serie ist mit 5 V TTL-kompatibel; die 74LVC-Serie arbeitet mit 1,8 V, 3,3 V und 5 V.
  • Analogsignalbereich: Stellen Sie bei analogen Multiplexern sicher, dass die Eingangssignale innerhalb der Versorgungsschienen bleiben (oder innerhalb des angegebenen Common-Mode-Bereichs für bipolare Teile).
  • ESD-Schutzstrategie: In rauen Umgebungen externe TVS-Dioden auf Leitungen hinzufügen, die Steckverbindern ausgesetzt sind. Viele moderne Multiplexer haben internen 2 kV HBM-Schutz, aber für höhere Ebenen kann ein externer Schutz erforderlich sein.

Wie man den richtigen Multiplexer IC auswählt

Ein systematischer Ansatz zur Auswahl kann Design-Iterationen speichern.

  1. Channel Count and Configuration (z.B. Single 8:1, Dual 4:1, Quad 2:1).
  2. Signaltyp: digital (Geschwindigkeit, Logikfamilie) oder analog (Bandbreite, Linearität, RON Flatness).
  3. Versorgungsspannung verfügbar (z. B. einzelne 3,3 V, 5 V oder Dual ±5 V).
  4. Leistungsbeschränkungen: maximal zulässige Ausbreitungsverzögerung, minimale Bandbreite, Crosstalk-Fußboden, etc.
  5. Power budget: Ruhe und dynamischer Strom bei Betriebsfrequenz.
  6. Paketbeschränkungen: Board-Platz, thermische Umgebung und Herstellbarkeit.

Sobald die Anforderungen klar sind, schränkt eine parametrische Suche bei großen Halbleiterverteilern (Digi‐Key, Mouser) oder mit Hilfe von Vendor-Tools (TI Filter, ADI Selector) die Kandidaten ein. Überprüfen Sie immer die typischen und maximalen Bewertungen des Datenblatts für Ihre spezifischen Betriebsbedingungen - Datenblattkurven für RON vs. Versorgungsspannung oder Temperatur sind von unschätzbarem Wert.

Multiplexer-ICs entwickeln sich weiter: Niedrigere Versorgungsspannungen (1,2 V bis 1,8 V) treiben die Entwicklung von ultra-low-RON CMOS-Schaltern mit einem Widerstand von unter 0,5 Ω voran. Die Integration nimmt ebenfalls zu - einige Mikrocontroller betten Multiplexer in ihre analogen Frontend-Blöcke ein. Hochleistungs-FPGAs und ASICs enthalten jetzt eingebaute MUX-Ressourcen, wodurch der Bedarf an diskreten Teilen in komplexen digitalen Designs reduziert wird. Für analoge Anwendungen erfordert der Aufstieg von softwaredefinierten Funk- und 5G-Infrastruktur Multiplexer mit Bandbreiten über 10 GHz und Linearitäts-Konkurrenten diskreter Relais. Schließlich sorgt der Schub in Richtung kleinerer Formfaktoren (WLCSP, μQFN) und höhere Zuverlässigkeit (Automotive AEC‐Q100 Qualifikation) dafür, dass der bescheidene Multiplexer auch in den kommenden Jahrzehnten ein wichtiger Baustein bleibt.

Schlussfolgerung

Kommerzielle Multiplexer-ICs bieten eine reiche Landschaft von Leistungsabwägungen, von den CMOS-Familien mit geringem Strom- und Breitbandbereich bis hin zur Blasengeschwindigkeit der TTL/FAST-Logik und der Präzision von Analogschaltern mit niedrigem RON. Das Verständnis von Schlüsselparametern wie On-Widerstand, Bandbreite, Crosstalk und Stromverbrauch ermöglicht es Ingenieuren, ein Gerät zu wählen, das die Systemleistung maximiert, ohne die Kosten- oder Board-Platzbeschränkungen zu überschreiten. Durch sorgfältige Bewertung der Anwendungsanforderungen und die Konsultation von Datenblattspezifikationen - sowie die Nutzung externer Ressourcen wie Anwendungshinweise von Texas Instruments, NXP und Analog Devices - können Designer sicher einen Multiplexer-IC auswählen, der sowohl aktuelle als auch zukünftige Anforderungen erfüllt.

Weitere Einzelheiten finden Sie in den unten verlinkten Datenblättern und Anwendungshinweisen:
Texas Instruments – CD74HC4051 Datasheet
NXP – 74LS151 Datasheet
]Analog Devices – ADG708 Datasheet
]Texas Instruments – Application Note: Selecting the Right Analog Switch