Multiplexor vs. Interruptor: ¿Cuál deberías usar?

Cuando las redes de telecomunicaciones necesitan compartir recursos de canales físicos escasos entre múltiples fuentes/receptores, utilizan una técnica simple llamada multiplexación/demultiplexación. Esta es una técnica fundamental para enrutamiento de grandes cantidades de datos seriales o paralelos a través de un único canal físico. Los multiplexores a menudo se discuten en el mismo contexto que los interruptores, los cuales pueden proporcionar la misma funcionalidad. Entonces, ¿qué hace diferentes a estos componentes y cuál necesitas para tu sistema digital o analógico?

Las diferencias entre un multiplexor vs. un interruptor se pueden encontrar en su construcción a nivel de CI y sus especificaciones. Además, hay diferentes métodos de multiplexación para diferentes aplicaciones (espacial, división de tiempo, o división de frecuencia/longitud de onda), lo que hace más confusa la elección entre un interruptor y un multiplexor. Aquí están algunas de las características funcionales y eléctricas que diferencian un multiplexor vs. un interruptor y cuándo podrías usar cada uno en tu aplicación.

Multiplexor vs. Interruptor

La diferencia entre estos componentes puede ser confusa, y no ayuda que el diagrama funcional de un multiplexor a menudo se retrate como un interruptor. Esto implica que básicamente son interruptores mecánicos, pero ciertamente este no es el caso con los multiplexores y interruptores modernos. La única excepción son los interruptores construidos como sistemas microelectromecánicos (MEMS), que de hecho tienen un pequeño elemento de conmutación mecánica.

Aparte de este punto sobre los MEMS, la mayoría de los interruptores y multiplexores se construyen usando FETs y algunos circuitos de soporte y se activan con una señal de control, en lugar de la mano del usuario. Ambos tipos de componentes están disponibles como CI de montaje superficial o de orificio pasante en paquetes estándar, por lo que los diseñadores tienen acceso a una amplia gama de interruptores y multiplexores para diferentes aplicaciones. La única excepción es para aplicaciones de alta potencia, donde la conmutación eléctrica se puede usar con transistores de alta potencia en lugar de la conmutación mecánica para la distribución de energía.

Para entender más sobre la diferencia entre estos componentes, veamos un poco más profundo cómo operan y sus especificaciones:

Análogo vs. Digital

Ambos tipos de componentes vienen en las variedades analógicas o digitales. Un interruptor analógico puede pasar tanto señales analógicas como digitales, pero los interruptores digitales solo pasan niveles lógicos digitales. La misma idea se aplica a los multiplexores, pero la definición de un multiplexor es amplia; los multiplexores también pueden ser analógicos con algún ancho de banda definido, mientras que los multiplexores digitales se construyen enteramente a partir de circuitos lógicos digitales y también solo pasan estados lógicos.

Selección de Señal

La mejor manera de describir el papel de un multiplexor es en términos de selección de señal. Un multiplexor no necesariamente aísla las secciones de aguas arriba y aguas abajo del sistema, pero su mayor resistencia en estado activo significa que la impedancia de entrada vista por el componente conductor es menos dependiente de la impedancia de entrada del componente de carga. En contraste, un interruptor tiende a tener una resistencia en estado activo mucho menor (tan baja como 1 Ohm) y reactancia a frecuencias relativamente bajas.

Especificaciones

Aquí están algunas de las especificaciones importantes que son comunes a interruptores y multiplexores:

• Tiempo de conmutación. Esto te indica el tiempo requerido para que el componente cambie entre diferentes canales. Idealmente, el tiempo de conmutación debería ser mucho menor que el tiempo de subida de la señal (para señales digitales).

• Tasa de variación y tiempo de asentamiento. Cuando se activa un canal en uno de estos componentes, hay un tiempo de conmutación específico durante la transición al nivel de señal a escala completa (medido como 10%-90% para señales digitales). Después de la conmutación, la salida requiere algún tiempo para asentarse al nivel de señal visto en la entrada. Esto puede ser un factor de 10 veces más largo que el tiempo de conmutación o el tiempo de subida.

• Ancho de banda. El ancho de banda de un interruptor o multiplexor se refiere al punto de -3 dB en la función de transferencia de un canal. Esto está determinado por la capacitancia de entrada interna y la resistencia en estado activo.

• Direccionalidad. Los interruptores son bidireccionales, mientras que los multiplexores son monodireccionales. Cabe destacar que algunos multiplexores más nuevos tienen la misma topología que los interruptores analógicos, y pueden usarse como multiplexores bidireccionales.

• Fuga de canal. Los componentes con menor resistencia de canal en estado activo tienden a tener mayor corriente de fuga de canal.

• Cantidad de canales. Un interruptor/multiplexor tendrá cierta cantidad de canales (relación N:1), donde N canales de entrada se dirigen a un solo canal. Cabe señalar que un interruptor puede implementarse con una relación 1:N gracias a su bidireccionalidad, pero este no es el caso con un multiplexor.

• Proceso. Los interruptores y multiplexores CMOS son mucho más lentos que los componentes fabricados con procesos bipolares. Por esta razón, los interruptores más rápidos utilizan un proceso FET para adaptarse a aplicaciones de alta tasa de datos.

Algunos interruptores o multiplexores pueden estar cableados en una topología anidada, por ejemplo, donde varios multiplexores N:1 se conectan a otro multiplexor N:1. A continuación, se muestra un ejemplo de un multiplexor cuádruple 2:1.

Diagrama lógico del multiplexor cuádruple 2:1 MC74ACT157DG de ON Semiconductor. Fuente: hoja de datos MC74ACT157DG.

Tenga en cuenta que la multiplexación y SerDes no son lo mismo. Un multiplexor puede ser implementado como un serializador al recorrer los bits de control en el multiplexor en orden a medida que el componente recibe datos paralelos. Además, la multiplexación se utiliza para SerDes entrelazados por bits, donde múltiples flujos de bits de datos seriales lentos se comprimen en un flujo de bits de alta velocidad. Aparte de eso, las dos técnicas no son lo mismo. Hay otras aplicaciones donde la multiplexación se utiliza ya que elimina la necesidad de uno o más interruptores mecánicos/electromecánicos.

Aplicaciones de Multiplexores e Interruptores

En resumen, algunas aplicaciones funcionarán perfectamente con cualquiera de los tipos de componentes. Las aplicaciones analógicas de alta frecuencia deberían enfocarse más en el ancho de banda y la resistencia en estado activo que en otras métricas. Además, cualquier aplicación que requiera seleccionar entre múltiples flujos de datos o comprimir datos en un único flujo de bits puede hacer uso de multiplexores o interruptores. Algunas aplicaciones de multiplexores e interruptores incluyen:

• Video de alta velocidad y audio de alta fidelidad

• Televisión por cable/satélite

• Selección de antena en arreglos en fase para formación de haces y multiplexación espacial

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