ZHCADS5 January 2024 TMUX1108 , TMUX1119 , TMUX121 , TMUX136 , TMUX1574
2 級聯(lián)多路復(fù)用器時受影響的參數(shù)
導(dǎo)通電阻 (R(ON))
多路復(fù)用器的導(dǎo)通電阻 (R(ON)) 是多路復(fù)用器輸入與輸出之間的測量電阻。在仿真中，這可以建模為一個串聯(lián)的電阻器。該電阻在許多多路復(fù)用器特性（例如插入損耗、傳播延遲和帶寬）中發(fā)揮著重要作用。隨著 R(ON) 的增加，這些規(guī)格的性能會降低。在級聯(lián)多路復(fù)用器時，通常優(yōu)先選擇具有較低 R(ON) 的多路復(fù)用器，因為 R(ON) 會隨著多路復(fù)用器數(shù)量的增加而線性增加。圖 2-1 展示了在信號通過 2 個多路復(fù)用器時插入損耗如何線性增加。請注意您如何在第 1 個多路復(fù)用器之后損失 5V 信號的 1X，在第 2 個多路復(fù)用器之后損失 2X。該模式持續(xù)到串聯(lián)的第 n 個多路復(fù)用器。
圖 2-1 級聯(lián)多路復(fù)用器時導(dǎo)通電阻的影響此處的一個關(guān)鍵區(qū)別是負載對 R(ON) 的影響。無論負載如何，損耗都會線性累積；然而，在將一個多路復(fù)用器的輸出饋入高阻抗節(jié)點時，負載會抑制 R(ON) 導(dǎo)致的損耗。這意味著在級聯(lián)到高阻抗負載時，R(ON) 的影響較小，因為每個級聯(lián)級的損耗將至最低。相反，當系統(tǒng)具有較小的阻性負載時，最好使用 R(ON) 較低的多路復(fù)用器，因為多路復(fù)用器的 R(ON) 越高，每個多路復(fù)用器累積的損耗就越大。圖 2-2 突出顯示了在級聯(lián)多路復(fù)用器應(yīng)用中使用 R(ON) 較低的多路復(fù)用器（例如 TMUX1574）的優(yōu)勢。
圖 2-2 在級聯(lián)多路復(fù)用器時阻性負載和導(dǎo)通電阻的影響上面中間和右側(cè)的圖突出顯示了在系統(tǒng)阻性負載較小時使用 TMUX1574 等 R(ON) 較低的多路復(fù)用器（右側(cè)）相對于 R(ON) 較高的多路復(fù)用器（中間）的優(yōu)勢。最左側(cè)的圖展示了在饋入高阻抗負載時多路復(fù)用器的 R(ON) 如何產(chǎn)生較小的影響。大負載會抑制導(dǎo)通電阻，因此 R(ON) 導(dǎo)致的損耗不是很大。
導(dǎo)通漏電流
與導(dǎo)通電阻類似，在向級聯(lián)多路復(fù)用器系統(tǒng)添加更多級時，導(dǎo)通漏電流也會線性增加。因此，到第二級，導(dǎo)通漏電流加倍；到第三級，導(dǎo)通漏電流變?yōu)樵瓉淼娜?；依此類推。在高精度?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，您會經(jīng)常發(fā)現(xiàn)傳感器輸出具有低輸出阻抗，從而使漏電流產(chǎn)生的任何偏移都成為系統(tǒng)整體分辨率和精度的重要因素。在這些高精度環(huán)境中級聯(lián)多路復(fù)用器時，請選擇合適的多路復(fù)用器（例如 TMUX11xx 系列精密器件中的多路復(fù)用器），以更大限度地減小漏電流并保持信號完整性。
圖 2-3 展示了一個使用 TMUX1108（1 通道 8:1）和 TMUX1119（1 通道 2:1）的示例，這是 TMUX11xx 系列精密多路復(fù)用器中的兩個器件。通過級聯(lián)這些多路復(fù)用器，可以使用單個輸入來測量多個傳感器（Ax 輸入）并根據(jù) Vref 電壓校準輸入。可以在高精度環(huán)境系統(tǒng)中實現(xiàn)該設(shè)計，以通過擴展 ADC 輸入的功能來減小總體系統(tǒng)尺寸。
圖 2-3 級聯(lián)精密多路復(fù)用器帶寬
多路復(fù)用器的帶寬是指可以通過多路復(fù)用器并且相對于直流增益的損耗不超過 -3dB 的信號頻率范圍。相對于直流插入損耗，這相當于剩余大約 70% 的信號。損耗與輸入信號的頻率相關(guān)。此處需要區(qū)分 -3dB 點和 -3dB 損耗點并了解這兩者之間的關(guān)鍵區(qū)別。下面的圖 2-4 展示了幾個示例來幫助理解該定義。在此處，直流增益在 -3dB 損耗點的測量位置發(fā)生變化。該點不會始終處于 -3dB，而是比直流插入損耗低 3dB。
圖 2-4 -3dB 帶寬示例請注意示例 2 的帶寬 (400MHz) 如何高于示例 1 (190MHz)，但總體損耗 (-3.8dB) 大于示例 1 (-3.1dB)。應(yīng)查看給定工作頻率下的損耗是多少，因為僅憑帶寬無法確定損耗。通常，帶寬接近或等于工作頻率的多路復(fù)用器不適合更大限度地減小系統(tǒng)損耗。一種好的策略是在選擇多路復(fù)用器時，對于正弦波，使帶寬為奈奎斯特頻率的 1.5 倍至 2 倍（工作頻率的兩倍），對于方波，使帶寬為基頻（工作頻率）的 5 倍至 7 倍。這有助于使信號在通過多路復(fù)用器時保留更多。
為了幫助對帶寬進行仿真，可以使用導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通電容將多路復(fù)用器有效建模為具有一些輸入電容的低通濾波器，如圖 2-5 所示。可以從數(shù)據(jù)表中獲取這些值。為了簡化建模，在表示導(dǎo)通電阻的電阻器的每一側(cè)將導(dǎo)通電容分為兩個部分。
圖 2-5 簡化的多路復(fù)用器模型隨著添加更多的多路復(fù)用器級來創(chuàng)建級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，這將創(chuàng)建一個階數(shù)更高的濾波器。隨著創(chuàng)建的濾波器的階數(shù)不斷增高，會從輸入信號中濾除更多的高頻分量。圖 2-6 展示了有關(guān)在添加第 2 個和第 3 個多路復(fù)用器級時 -3dB 帶寬如何減小的仿真結(jié)果。由于使用了高阻抗負載，因此我們可以估算直流損耗接近 0dB，可以在大約 -3dB 處畫出 -3dB 損耗點。
圖 2-6 導(dǎo)通電阻對 -3dB 帶寬的影響（高阻抗負載）圖 2-6 顯示信號的衰減與級聯(lián)級中多路復(fù)用器的數(shù)量不成線性比例。相反，隨著添加更多的多路復(fù)用器，衰減變得不那么明顯。圖 2-7（高阻抗負載）和圖 2-8（低阻抗負載）展示了在從單個多路復(fù)用器增加到 8 個串聯(lián)多路復(fù)用器時的仿真結(jié)果。如前所述，多路復(fù)用器充當濾波器并表現(xiàn)出類似的特性。因此，當我們接近更高的階數(shù)時，我們應(yīng)該會看到滾降的斜率更大。這反過來又抑制了較高的頻率并限制了帶寬。雖然低阻抗負載和高阻抗負載之間的 -3dB 帶寬是相似的，但在添加更多的多路復(fù)用器時，由于前面介紹導(dǎo)通電阻 (R(ON)) 的部分中提到的導(dǎo)通電阻作用，低阻抗負載系統(tǒng)中的總損耗會變得更大。當在直流電平附近運行時，這一點更為突出。例如，在 100kHz 頻率以及高阻抗負載下，到第 8 個多路復(fù)用器，增益接近 0dB，相當于保留了大部分信號。在相同的頻率和低阻抗下，到第 8 個多路復(fù)用器，會損失將近 20% 的信號。
圖 2-7 第 n 個多路復(fù)用器的 -3dB 帶寬（高阻抗負載）
圖 2-8 第 n 個多路復(fù)用器的 -3dB 帶寬（低阻抗負載）試驗結(jié)果
雖然仿真是衡量系統(tǒng)一般行為的有用工具，但我們建議在最終確定設(shè)計之前對更復(fù)雜的設(shè)置執(zhí)行實驗室測試。我們將此處的仿真結(jié)果與工作臺測試結(jié)果進行比較，以了解兩者之間的接近程度。在下面的圖 2-9 中，使用了矢量網(wǎng)絡(luò)分析器來檢查信號通過 1 個多路復(fù)用器、2 個多路復(fù)用器和 3 個多路復(fù)用器時的直流插入損耗(實際上該插入損耗小于 100kHz）和 -3dB 帶寬。使用了具有 50 歐姆負載的 200mV 峰峰值輸入信號。我們看到帶寬結(jié)果與仿真結(jié)果類似。在仿真和工作臺測試結(jié)果中，添加第 2 個多路復(fù)用器將帶寬降低了近一半，而第 3 個多路復(fù)用器的影響不那么嚴重。添加第 3 個多路復(fù)用器后，工作臺測試結(jié)果實際上更好，保留的帶寬比仿真結(jié)果更多。因此，雖然仿真可以幫助進行大致的估算，但工作臺測試結(jié)果不僅更準確，而且實際上可以展示更樂觀的限值。
在具有低阻抗負載的系統(tǒng)中，應(yīng)認識到導(dǎo)通電阻的影響，導(dǎo)通電阻會以線性方式累積并增加插入損耗。圖 2-9 展示了級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的每一級添加到直流插入損耗中的線性衰減。每一級會繼續(xù)累積相同的損耗，在本例中每級大約為 -25dB，導(dǎo)致第三級的輸出產(chǎn)生 -75dB 的損耗，這符合圖 2-8 中顯示的趨勢。
圖 2-9 3 個串聯(lián)多路復(fù)用器的實驗結(jié)果