Multiplexer vs. Schalter: Welchen sollten Sie verwenden?

Wenn Telekommunikationsnetzwerke knappe physische Kanalressourcen unter mehreren Quellen/Empfängern teilen müssen, verwenden sie eine einfache Technik namens Multiplexing/Demultiplexing. Dies ist eine grundlegende Technik zur Übertragung großer Mengen serieller oder paralleler Daten über einen einzigen physischen Kanal. Multiplexer werden oft im gleichen Kontext wie Schalter diskutiert, die dieselbe Funktionalität bieten können. Was macht diese Komponenten unterschiedlich, und welche benötigen Sie für Ihr digitales oder analoges System?

Die Unterschiede zwischen einem Multiplexer und einem Schalter finden sich in ihrem Aufbau auf IC-Ebene und ihren Spezifikationen. Darüber hinaus gibt es verschiedene Multiplexing-Methoden für unterschiedliche Anwendungen (räumlich, Zeitteilung oder Frequenz/Wellenlängenteilung), was die Wahl zwischen einem Schalter und einem Multiplexer verwirrender macht. Hier sind einige der funktionalen und elektrischen Eigenschaften, die einen Multiplexer von einem Schalter unterscheiden und wann Sie jeden in Ihrer Anwendung verwenden könnten.

Multiplexer vs. Schalter

Der Unterschied zwischen diesen Komponenten kann verwirrend sein, und es hilft nicht, dass das funktionale Diagramm für einen Multiplexer oft als Schalter dargestellt wird. Dies impliziert, dass sie im Grunde mechanische Schalter sind, aber das ist bei modernen Multiplexern und Schaltern sicherlich nicht der Fall. Die eine Ausnahme bilden Schalter, die als mikroelektromechanische Systeme (MEMS) gebaut sind, die tatsächlich ein winziges mechanisches Schaltelement haben.

Abgesehen von diesem Punkt über MEMS werden die meisten Schalter und Multiplexer mit FETs und einiger unterstützender Schaltungstechnik gebaut und mit einem Steuersignal aktiviert, anstatt durch die Hand des Benutzers. Beide Arten von Komponenten sind als Durchsteck- oder SMD-ICs in Standardgehäusen verfügbar, sodass Designer Zugang zu einer breiten Palette von Schaltern und Multiplexern für verschiedene Anwendungen haben. Die eine Ausnahme ist für Hochleistungsanwendungen, bei denen elektrisches Schalten mit Hochleistungstransistoren anstelle von mechanischem Schalten für die Stromverteilung verwendet werden kann.

Um mehr über den Unterschied zwischen diesen Komponenten zu verstehen, schauen wir uns etwas genauer an, wie sie funktionieren und ihre Spezifikationen:

Analog vs. Digital

Beide Arten von Komponenten gibt es in analogen oder digitalen Varianten. Ein analoger Schalter kann sowohl analoge als auch digitale Signale durchlassen, aber digitale Schalter übertragen nur digitale Logikpegel. Die gleiche Idee gilt für Multiplexer, aber die Definition eines Multiplexers ist breit; Multiplexer können auch analog mit einer definierten Bandbreite sein, während digitale Multiplexer vollständig aus digitalen Logikschaltungen gebaut sind und ebenfalls nur Logikzustände übertragen.

Signalwahl

Die beste Art, die Rolle eines Multiplexers zu beschreiben, ist in Bezug auf die Signalwahl. Ein Multiplexer isoliert nicht unbedingt die oberen und unteren Abschnitte des Systems, aber sein höherer Durchlasswiderstand bedeutet, dass die Eingangsimpedanz, die von der Treiberkomponente gesehen wird, weniger abhängig von der Eingangsimpedanz der Lastkomponente ist. Im Gegensatz dazu tendiert ein Schalter dazu, einen viel niedrigeren Durchlasswiderstand (so niedrig wie 1 Ohm) und Reaktanz bei relativ niedrigen Frequenzen zu haben.

Spezifikationen

Hier sind einige der wichtigen Spezifikationen, die für Schalter und Multiplexer gemeinsam sind:

• Schaltzeit. Diese gibt die Zeit an, die benötigt wird, um zwischen verschiedenen Kanälen zu wechseln. Idealerweise sollte die Schaltzeit viel kürzer sein als die Anstiegszeit des Signals (bei digitalen Signalen).

• Anstiegsgeschwindigkeit und Einschwingzeit. Wenn ein Kanal in einem dieser Bauteile aktiviert wird, gibt es eine spezifische Schaltzeit während des Übergangs zum vollen Signalpegel (gemessen als 10%-90% für digitale Signale). Nach dem Schalten benötigt der Ausgang einige Zeit, um sich auf das am Eingang gesehene Signalniveau einzustellen. Dies kann ein Faktor 10 länger sein als die Schaltzeit oder Anstiegszeit.

• Bandbreite. Die Bandbreite eines Schalters oder Multiplexers bezieht sich auf den -3 dB Punkt in der Übertragungsfunktion eines Kanals. Dies wird durch die interne Eingangskapazität und den Widerstand im eingeschalteten Zustand festgelegt.

• Richtungsabhängigkeit. Schalter sind bidirektional, während Multiplexer monodirektional sind. Beachten Sie, dass einige neuere Multiplexer die gleiche Topologie wie analoge Schalter haben und als bidirektionale Multiplexer verwendet werden können.

• Kanalleckage. Komponenten mit niedrigerem Widerstand im eingeschalteten Kanal neigen zu höherem Kanalleckstrom.

• Kanalanzahl. Ein Schalter/Multiplexer hat eine bestimmte Kanalanzahl (N:1 Verhältnis), wobei N Eingangskanäle in einen einzigen Kanal geleitet werden. Beachten Sie, dass ein Schalter dank seiner Bidirektionalität mit einem 1:N Verhältnis implementiert werden kann, was bei einem Multiplexer jedoch nicht der Fall ist.

• Prozess. CMOS-Schalter und Multiplexer sind viel langsamer als Komponenten, die mit bipolaren Prozessen hergestellt werden. Aus diesem Grund verwenden die schnellsten Schalter einen FET-Prozess, um Anwendungen mit hohen Datenraten zu unterstützen.

Einige Schalter oder Multiplexer können in einer verschachtelten Topologie verdrahtet werden, z.B. wo mehrere N:1 Multiplexer in einen weiteren N:1 Multiplexer verdrahtet werden. Ein Beispiel für einen Quad 2:1 Multiplexer wird unten gezeigt.

Logikdiagramm für den MC74ACT157DG Quad 2:1 Multiplexer von ON Semiconductor. Quelle: MC74ACT157DG Datenblatt.

Beachten Sie, dass Multiplexing und SerDes nicht dasselbe sind. Ein Multiplexer kann als Serializer implementiert werden, indem durch die Steuerbits auf dem Multiplexer in der Reihenfolge durchgegangen wird, wie das Bauteil parallele Daten empfängt. Darüber hinaus wird Multiplexing für bit-interleaved SerDes verwendet, bei denen mehrere langsame serielle Datenbitströme in einen Hochgeschwindigkeitsbitstrom komprimiert werden. Abgesehen davon sind die beiden Techniken nicht dasselbe. Es gibt andere Anwendungen, bei denen Multiplexing verwendet wird, da es die Notwendigkeit für einen oder mehrere mechanische/elektromechanische Schalter eliminiert.

Anwendungen von Multiplexern und Schaltern

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass einige Anwendungen mit beiden Arten von Komponenten gut funktionieren werden. Anwendungen im Bereich der Hochfrequenz-Analogtechnik sollten sich mehr auf die Bandbreite und den Durchlasswiderstand konzentrieren als auf andere Kennzahlen. Darüber hinaus können alle Anwendungen, die eine Auswahl zwischen mehreren Datenströmen erfordern oder Daten in einen einzigen Bitstrom komprimieren müssen, Multiplexer oder Schalter nutzen. Einige Anwendungen von Multiplexern und Schaltern umfassen:

• Hochgeschwindigkeitsvideo und hochwertiges Audio

• Kabel-/Satellitenfernsehen

• Antennenauswahl in Phased-Array-Antennen für Beamforming und räumliches Multiplexing

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