Auswahl und Einsatz eines Schalter-ICs für analoge und digitale Anwendungen

Erstellt: Dezember 21, 2021
Aktualisiert am: Juli 1, 2024

Viele Elektronikgeräte akzeptieren Benutzereingaben über manuelle Schalter, aber das ist nicht immer der beste Weg, um eine logische Bedingung in jedem System auszulösen. Was ist, wenn wir ein eingebettetes System haben, das mit einer Web-API interagiert und es keinen mechanischen Schalter gibt? Was ist, wenn die Platine in einem größeren System eingebettet ist und nie manuell zugänglich sein wird?

Ein Schalter-IC ist eine ausgezeichnete Option, um Peripheriegeräte basierend auf logischen Bedingungen oder Benutzereingaben zu aktivieren, die nicht unbedingt eine mechanische Komponente beinhalten. Ein Schalter-IC wird elektrisch aktiviert, manchmal mit einem MCU oder einem analogen Signalpegel. Wenn Sie diese Art von Schaltung in Ihrem System implementieren müssen, finden Sie hier einige Richtlinien, die Sie bei der Auswahl und Verwendung von Schalter-ICs befolgen können.

Wichtige Spezifikationen von Schalter-ICs

Ein Schalter-IC ist ein einfacher integrierter Schaltkreis, der das elektrische Analogon eines mechanischen Schalters ist. Diese Komponenten bieten einen praktischen Schaltmechanismus basierend auf Benutzereingaben, logischen Bedingungen oder sogar einem Sensorsignal. Die Schaltung wird mit einer langsamen digitalen Schnittstelle oder Gleichstrom, der an den Enable-Pin der Komponente angelegt wird (z.B. wie mit einem GPIO geliefert), ausgelöst. Schalter-ICs können dieselbe elektrische Funktion wie ein typischer mechanischer Schalter (SPST, SPDT usw.) bieten, was ihre Implementierung in einem Elektroniksystem erleichtert.

Achten Sie auf diese Spezifikationen, wenn Sie einen Schalter-IC für Ihr System auswählen:

Polzahl, Würfe und Kanäle. Schalter-ICs sind typischerweise vom Typ SPST, SPDT oder DPDT. Mehrere Schalter (d.h. Kanäle) können im selben Gehäuse erscheinen.
Analoger vs. digitaler Schalter. Es gibt zwei Arten von Schaltern, die verfügbar sind, und sie sind nicht immer austauschbar. Diese beiden Arten von Schaltern werden unten besprochen.
Bandbreite und Widerstand/Impedanz. Dies wird nur bei hohen Frequenzen wichtig, wo eine Impedanzanpassung erforderlich sein kann, um sicherzustellen, dass es keine Signalreflexion am Schalter gibt. Die Die- und Schaltkreisstruktur wird auch die Bandbreite des Schalters begrenzen. Bei hohen Frequenzen sollte der Widerstand so gewählt werden, dass die Eingangsimpedanz, die in den Schalter hineinschaut, mit der Leitungsimpedanz übereinstimmt. Beachten Sie, dass es spezielle HF-Schalter für diese Anwendungen gibt.
Datenrate (für digitale Schalter). Digitale Schalter haben eine bestimmte Anstiegszeit, die die Bandbreite des Schalters bestimmt. Dies wird die Datenrate begrenzen, die geliefert werden kann, wenn das Gerät eingeschaltet ist. Für Anwendungen, bei denen zwischen verschiedenen Hochgeschwindigkeits-Digitalschnittstellen umgeschaltet werden muss, wie z.B. in einem Backplane, achten Sie auf diese Spezifikation.
Einzel- vs. Dualversorgungssystem. Wenn Sie eine einzelne Versorgungsspannung in Ihrem Layout haben, dann sollten Sie, wenn möglich, einen Einzelversorgungsschalter verwenden, da dies das Layout viel bequemer macht. Beachten Sie, dass einige analoge Schalter das Anschließen eines negativen Versorgungspins erfordern, was die negative Polaritätsausgabe aus der Komponente begrenzen wird.

Bei der Arbeit mit hochgeschwindigkeitsdigitalen Daten wird ein spezialisierter Crosspoint-Schalter verwendet, um Daten zu schalten. Diese Komponenten werden mit Hochgeschwindigkeitslogik gebaut und sind darauf ausgelegt, spezifische Protokolle, Modulationsarten (z.B. NRZ) oder Signalstandards zu unterstützen.

Analoge Schalter-ICs

Switch-ICs gibt es in digitalen und analogen Varianten. Beide Arten von Schaltern haben ihre Vorteile, funktionieren jedoch auf der Die-Ebene unterschiedlich, da die Ausgabe im IC auf unterschiedliche Weise aktiviert wird. Sie können ein analoges IC in einigen Situationen mit digitalen Signalen verwenden, umgekehrt ist dies jedoch nicht möglich.

Ein analoger Switch-IC kann digitale oder analoge Signale leiten, wenn er eingeschaltet ist. Im Wesentlichen verhalten sie sich wie ein Relais, bei dem das Eingangskontrollsignal den analogen Schalter in einen Zustand hoher Leitfähigkeit treibt. Analoge Schalter sind auch bidirektional, wie man es erwarten würde, damit der Schalter das analoge Signal am Ausgang replizieren kann. Allerdings kann der Ausgang sättigen, entweder wenn die Last zu klein ist oder wenn das Eingangsspannungsniveau die Versorgungsspannung übersteigt. Das gleiche Prinzip gilt für digitale Signale, obwohl wir bei digitalen Signalen nur sicherstellen müssen, dass die Fanout nicht gestört wird, wenn der Schalter an einem Bus verwendet wird.

Ein Beispiel für einen analogen SPDT-Schalter ist der NLAS4157 von ON Semiconductor. Dieses Gerät hat einen niedrigen Durchlasswiderstand von ~0,8 Ohm, was es zu einer ausgezeichneten Wahl für DC- oder Niederfrequenz-Analoganwendungen macht. Es unterstützt auch einen angemessen hohen kontinuierlichen Strom durch jeden Ausgang von bis zu 300 mA. Jeder Ausgang ist auch hoch isoliert mit einem Übersprechen bewertet bei -57 dB (typischer Wert) bei 1 MHz für eine 50 Ohm Last. Die totale harmonische Verzerrung wird mit 0,012% für 0,5 Vp-p bewertet, und die -3 dB Bandbreite wird mit 8 MHz bewertet, was dieses Bauteil zu einer ausgezeichneten Wahl für Audioanwendungen macht.

Digitale Switch-ICs

Digitale Schalter können nicht mit analogen Signalen verwendet werden. Wenn sie mit einem digitalen Signal verwendet werden, versucht ein digitaler Switch-IC, das Logikniveau des Eingangssignals zu replizieren. Offensichtlich ist die einfachste Implementierung eines SPST-Schalters mit einem UND-Gatter, wobei die Logikfamilien des Treibers und des Switch-ICs gleich sind. Fanout ist auch hier ein wichtiger Punkt, wenn ein einzelner Treiber mit mehreren Schaltern verwendet wird, obwohl es Bus-Switch-ICs mit mehreren Ausgängen und unabhängigen Enable-Triggern gibt.

Ein Beispiel für einen 2-Bit-Digitalbus-Switch-IC ist der SN74CBTD3306 von Texas Instruments. Dieser Dual-FET-Switch-IC umfasst 2 unabhängige Output-Enable-Pins und 2 unabhängige Eingänge, was es ermöglicht, den Schalter als zwei SPST-Schalter oder in einer Flip-Flop-Stil-Konfiguration zu verdrahten. Eine nützliche Anwendung dieses Bauteils ist das Level-Shifting von 5 V Signalen (TTL) auf 3,3 V dank einer internen Diode am VCC-Pin. Obwohl es nicht für die Übertragung von Hochgeschwindigkeitsdaten konzipiert ist, bietet es schnelles Schalten mit ~5 ns Enable- und Disable-Zeiten mit nur 250 ps Verzögerungszeit.

Wenn Sie einen Schalter in Ihrem neuen System platzieren müssen, gibt es viele Optionen auf dem Markt, aber Sie werden wahrscheinlich auch andere Komponenten verwenden, um Signale zu erzeugen und zu akzeptieren. Einige andere Komponenten, die häufig in Systemen mit Switch-ICs gefunden werden, sind:

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