I circuiti integrati multi-xer (IC) costituiscono la colonna portante del routing del segnale sia in sistemi digitali che analogici, consentendo a una singola linea di dati o a un percorso analogico di trasportare più segnali su base time-shared.

Capire i principi fondamentali di IC di Multiplexer

In elettronica digitale, i multiplexer sono tipicamente descritti dal loro numero di canali (ad esempio, 2‐to‐1, 4‐to‐1, 8‐to‐1) e dalla famiglia logica a cui appartengono. Oltre la selezione digitale, molti IC multisalari commerciali gestiscono anche segnali analogici, rendendoli veri “analog switch” analogici.

Le due famiglie di logica dominanti sono CMOS] (Complementary Metal‐Oxide‐Semiconductor) e TTL (Transistor-Transistra Logic)) più veloci di CMOS, come il 74HC4051, consumano pochissima potenza statica e offrono ampie gamme di tensione di alimentazione (

Parametri di prestazioni chiave

La selezione di un IC multisala richiede la valutazione di diverse specifiche interdipendenti. Di seguito sono i parametri più critici, con implicazioni pratiche per il design.

  • Numero di canali:[] Determina quanti ingressi possono essere commutati. Le dimensioni comuni sono 2:1, 4:1, 8:1, e 16:1. Le versioni Dual e quad (ad esempio, dual 4:1) risparmiano spazio di bordo in sistemi multi-segnali.
  • On‐Resistance (R]ON[]]] Per i multiplexers analogici, la resistenza tra ingresso e uscita quando l'interruttore è chiuso.
  • Bandwidth:[] La frequenza in cui l'ampiezza del segnale di uscita scende di 3 dB. Multix ad alta larghezza di banda (oltre 500 MHz per alcuni switch video) sono necessari per segnali RF, video e digitali veloci.
  • Propagazione Ritardo:[] Per i multiplexers digitali, il tempo da una modifica ai input selezionati per la corrispondente modifica all'output.
  • Crosstalk:[[]] Un attacco indesiderato da un canale all'altro, spesso specificato ad una data frequenza (ad esempio, -80 dB a 1 MHz).
  • Consumo di potenza:[] Potenza Quiescente e dinamica. Le parti CMOS hanno corrente statica quasi zero, mentre le parti TTL disegnano milliamps anche quando sono inattivo. Per i dispositivi IoT alimentati a batteria, la bassa potenza è fondamentale.
  • Gamma di tensione di approvvigionamento:[[ I multiplexers CMOS operano spesso da 2 V a 12 V o superiore, permettendo l'uso in sistemi 3.3 V e 5 V. Alcuni switch analogici accettano forniture bipolari (ad esempio, ±5 V) per segnali AC.
  • Protezione del ESD:[]] I diodi integrati proteggono contro lo scarico elettrostatico. Le valutazioni di 2 kV (HBM) o superiori sono tipiche, ma alcune applicazioni richiedono una protezione robusta da 8 kV su I/O.
  • Tipo di pacchetto:[] Dal DIP per la prototipazione al QFN ultra-piccolo o CSP per i disegni a contrasto spaziale.

Confronto di popolari IC commerciali multiplexer

Ogni famiglia IC multisala offre vantaggi distinti: i seguenti elementi sono caratterizzati da dispositivi ampiamente utilizzati, evidenziando i loro punti di forza e scenari di applicazione tipici.

74HC4051 – CMOS 8‐to‐1 Multisala analogica/digitale

Il 74HC4051 è un cavalletto di lavoro del settore, che combina un multisala analogico a 8 canali con tre linee di selezione digitali e un perno di abilitazione. Realizzato in CMOS ad alta velocità (HCMOS), opera da 2 V a 10 V e mostra i tipici sulla resistenza di 70 Ω (a 4.5 V alimentazione).

Le applicazioni includono l’acquisizione dati front-end, il multisala sensori e il routing del segnale audio. Il 74HC4051 è disponibile anche in varianti come il 74HCT4051, che è compatibile TTL ai perni di controllo mantenendo le caratteristiche CMOS.

74LS151 – Multisala digitale TTL 8‐to‐1

Il 74LS151 è una classica parte TTL che fornisce multisala digitale a 8 ingressi con uscite complementari (Y e Y ⁇ ). Funziona da un alimentatore 5 V ( ±5 %) e offre un tipico ritardo di propagazione di 15 ns[]] a 15 pF load. Il consumo di energia è superiore a CMOS: il dispositivo disegna circa 10 mA di corrente di quiescent.

A causa della sua velocità, il 74LS151 è spesso utilizzato nella decodifica degli indirizzi, nel routing dei dati e nelle funzioni di logica programmabile. Tuttavia, per i moderni modelli 3.3 V o di bassa tensione, i sostituzioni CMOS come il 74LVC151 (disponibile in 1.65 V a 5.5 V) sono preferiti per la potenza inferiore e l'intervallo di tensione più ampio.

CD74HC4052 – Dual 4‐to‐1 Multiplexer

Il CD74HC4052 integra due multiplex indipendenti a 4 canali in un unico pacchetto a 16 pin. Ogni sezione condivide linee di selezione comuni (S0, S1) e un perno di abilitazione, ma ha i propri perni I/O. Questa configurazione è ideale per coppie di segnale differenziali (ad esempio, LVDS, uscite differenziali analogiche del sensore) o per multiplexing quattro sorgenti audio stereo.

Quando si progetta con il CD74HC4052, è necessario prestare attenzione al layout PCB per mantenere la crosstalk sottostante –55 dB. Il dispositivo è offerto anche in versione compatibile con TTL, il CD74HCT4052.

ADG708 – Low‐RON[ 8‐to‐1 Multisala analogica

Per applicazioni che richiedono un minimo di degrado del segnale, l'ADG708 di Analog Devices offre una tipica **su-resistenza di soli 2,5 Ω** (con flatnessione di 0,5 Ω rispetto alla gamma analogica) che opera da un singolo 1,8 V a 5,5 V di alimentazione, o da due alimentatori ±2,5 V, rendendolo compatibile con sistemi digitali a bassa tensione e segnali analogici industriali.

L'ADG708 è comune nell'acquisizione di dati di precisione, nei sistemi di monitoraggio della batteria e nel routing del segnale audio, dove la distorsione deve essere inferiore allo 0,01 %. Il piccolo pacchetto QFN (4 mm × 4 mm) consente di risparmiare spazio significativo della scheda.

74HC157 – Quad 2‐to‐1 Multiplexer

Quando sono necessarie più selezioni a 2 ingressi, il 74HC157 confeziona quattro multiplexers indipendenti da 2 a 1 in un unico chip. Ogni MUX seleziona tra due ingressi a 1 bit basati su una linea di selezione comune, con uscite abilitate collettivamente da un perno di abilitazione. Il ritardo di propagazione è tipicamente 10 ns a 5 V, e il consumo di energia è quiescente microamperes.

74F258 – Fast TTL 8‐to‐1 Multiplexer

Per ambienti digitali ad alta velocità in cui il ritardo di 15 ns di 74LS151 è insufficiente, il 74F258 (parte della famiglia di logica FAST) offre un tipico ritardo di propagazione di **5 ns** a 5 V. Si consuma circa 20 mA corrente di quiescent ma fornisce un'unità di uscita più elevata e un'eccellente immunità al rumore.

IC multisala speciale

Oltre alle parti generali, diversi IC multisala si rivolgono a domini specifici:

  • Video Multiplexers:[] L'interruttore a punto croce AD8108 (8×8) offre una larghezza di banda di 500 MHz e un crosstalk di 60 dB a 10 MHz, progettato per il routing di flussi video analogici multipli in apparecchiature di trasmissione e sorveglianza.
  • Differenziali Multiplexers:[] Parti come il MAX14776 da Maxim forniscono un commutatore differenziale a 4 canali con protezione integrata, ideale per la selezione di bus RS‐485 o CAN.
  • Multisalari a caldo e a sicurezza rapida:[ Alcuni multisalatori industriali includono il bloccaggio a sovratensione incorporato (ad esempio, la tolleranza di ±25 V) e il supporto di assemblaggio a potenza per proteggere i circuiti a valle.
  • MUX digitali ad alta velocità:[] Il 74AVC8T245 di NXP integra sia la traduzione di livello che il multiplexing per il flusso di dati bidirezionale attraverso i domini di 3.3 V e 1.8 V.

Considerazioni di applicazione

Realizzare il pieno potenziale di un IC multisala richiede attenzione ai dettagli di livello del bordo:

  • Integrità di linea:[ I segnali ad alta frequenza indirizzati attraverso un multiplexer possono soffrire di capacità e induttanza parassita.
  • Decoupling del cavo:[ Posizionare un condensatore ceramico da 0,1 μF vicino a ogni perno di alimentazione, in particolare per i multiplexers CMOS che disegnano le correnti transitorie durante il passaggio.
  • Logic Level Translation:[] Se i segnali di controllo provengono da un dominio di tensione diverso, assicura che gli input digitali del multiplexer accettino tali livelli. La serie 74HCT è compatibile con TTL a 5 V; la serie 74LVC funziona con 1.8 V, 3.3 V e 5 V.
  • Analog Signal Range:[ Per i multiplexers analogici, assicurarsi che i segnali di ingresso rimangano all'interno delle guide di alimentazione (o all'interno dell'intervallo comune specificato per le parti bipolari).
  • Strategia di protezione ESD:[] In ambienti difficili, aggiungere diodi TVS esterni su linee esposte ai connettori. Molti moderni multiplexers hanno protezione HBM interna 2 kV, ma la protezione esterna può essere necessaria per livelli più elevati.

Come scegliere il tasto destro del mouse

Un approccio sistematico alla selezione può salvare le iterazioni di progettazione.

  1. Contegno e configurazione del canale[[] (ad esempio, singolo 8:1, dual 4:1, quad 2:1).
  2. Tipo di linea[[: digitale (velocità, famiglia logica) o analogico (larghezza di banda, linearità, RON flatness].
  3. Tensione di approvvigionamento[] disponibile (ad esempio, singolo 3.3 V, 5 V, o doppia ±5 V).
  4. I vincoli di conformità[[]: il ritardo di propagazione massimo consentito, la larghezza di banda minima, il pavimento di crosstalk, ecc.
  5. Power budget[]: corrente quiescente e dinamica alla frequenza operativa.
  6. I vincoli di imballaggio[: spazio di bordo, ambiente termico e manifatturabilità.

Una volta che i requisiti sono chiari, una ricerca parametrica presso i principali distributori di semiconduttori (Digi‐Key, Mouser) o utilizzando strumenti di vendor (TI Filter, ADI Selector) restringe i candidati.

Tendenze future

I sistemi di controllo numerico multi-disciplinari (da 1,2 V a 1,8 V) stanno portando lo sviluppo di sistemi di trasmissione ultra-basso-RON[] CMOS con una resistenza sub-0.5 Ω. L'integrazione è anche in aumento: alcuni microcontrollori incorporati in più componenti analogici.

Conclusioni

I CdA commerciali presentano un ricco paesaggio di performance trade-off, dalle famiglie CMOS a bassa potenza, ad ampio raggio, alla velocità di vescica della logica TTL/FlogAST e alla precisione dei switch analogici a basso livelloON]].

Per ulteriori dettagli, fare riferimento alle schede e alle note di applicazione riportate di seguito:
] Strumenti di testo – CD74HC4051 Datasheet
]]NXP – 74LS151 Datasheet[FLT Ana] [[6]