Seleccionando y utilizando un circuito integrado de conmutación para aplicaciones analógicas y digitales

Creado: Deciembre 21, 2021
Actualizado: Julio 1, 2024

Muchos dispositivos electrónicos aceptan la entrada del usuario mediante conmutación manual, pero esta no siempre es la mejor manera de activar una condición lógica en cada sistema. ¿Qué pasa si tenemos un sistema embebido que se interfaz con alguna API web y no hay un interruptor mecánico? ¿Qué pasa si la placa está enterrada en un sistema más grande y nunca será accesible manualmente?

Un circuito integrado de conmutación (switch IC) es una excelente opción para activar periféricos basados en condiciones lógicas o entradas de usuario que no necesariamente involucran algún componente mecánico. Un switch IC se activa eléctricamente, a veces con un MCU o un nivel de señal analógica. Cuando necesites implementar este tipo de conmutación en tu sistema, aquí tienes algunas pautas que puedes seguir para seleccionar y usar switch ICs.

Especificaciones Importantes de los Switch IC

Un switch IC es un circuito integrado simple que es el análogo eléctrico de un interruptor mecánico. Estos componentes proporcionan un mecanismo de conmutación conveniente basado en la entrada del usuario, condiciones lógicas o incluso un nivel de sensor. La conmutación se activa con una interfaz digital de baja velocidad o CC aplicada al pin de habilitación en el componente (por ejemplo, como se suministra con un GPIO). Los switch ICs pueden proporcionar la misma función eléctrica que un interruptor mecánico típico (SPST, SPDT, etc.), lo que los hace fáciles de implementar en un sistema electrónico.

Presta atención a estas especificaciones cuando estés seleccionando un switch IC para tu sistema:

Polos, lanzamientos y canales. Los switch ICs son típicamente de tipos SPST, SPDT o DPDT. Múltiples interruptores (es decir, canales) pueden aparecer en el mismo paquete.
Interruptor analógico vs. digital. Hay dos tipos de interruptores disponibles, y no siempre son intercambiables. Estos dos tipos de interruptores se discutirán a continuación.
Ancho de banda y resistencia/impedancia. Esto solo se vuelve importante en altas frecuencias, donde puede ser necesario el emparejamiento de impedancias para asegurar que no haya reflexión de señal en el interruptor. La estructura del diodo y el circuito de conmutación también limitarán el ancho de banda del interruptor. Para altas frecuencias, la resistencia debe ser elegida de modo que la impedancia de entrada mirando hacia el interruptor coincida con la impedancia de línea. Nota que hay interruptores RF especializados disponibles para estas aplicaciones.
Tasa de datos (para interruptores digitales). Los interruptores digitales tienen cierto tiempo de subida que determina el ancho de banda del interruptor. Esto limitará la tasa de datos que puede ser suministrada cuando el dispositivo está encendido. Para aplicaciones donde se necesita conmutar entre diferentes interfaces digitales de alta velocidad, como en un backplane, presta atención a esta especificación.
Sistema de suministro único vs. doble. Si tienes un voltaje de suministro único en tu diseño, entonces deberías usar un interruptor de suministro único si es posible ya que hace el diseño mucho más conveniente. Nota que algunos interruptores analógicos requieren conectar un pin de suministro negativo, lo que limitará la salida de polaridad negativa del componente.

Cuando se trabaja con datos digitales de alta velocidad, se utiliza un interruptor de punto cruzado especializado para conmutar datos. Estos componentes están construidos usando lógica de alta velocidad y están destinados a soportar protocolos específicos, tipos de modulación (por ejemplo, NRZ) o estándares de señalización.

Switch ICs Analógicos

Los ICs de conmutación vienen en variedades digitales y analógicas. Ambos tipos de interruptores tienen sus ventajas, pero funcionan de manera diferente a nivel de chip debido a cómo se habilita la salida en el IC. Puedes usar un IC analógico con señales digitales en algunas situaciones, pero lo contrario no es cierto.

Un interruptor IC analógico puede conducir señales digitales o analógicas cuando está activado. En esencia, actúan como un relé, donde la señal de disparo de control de entrada conduce el interruptor analógico a un estado de alta conductividad. Los interruptores analógicos también son bidireccionales, como uno esperaría para que el interruptor replique la señal analógica en la salida. Sin embargo, la salida puede saturarse, ya sea cuando la carga es demasiado pequeña o cuando el nivel de voltaje de entrada excede el voltaje de suministro. La misma idea se aplica a las señales digitales, aunque con señales digitales solo necesitamos asegurarnos de que el fanout no se perturbe cuando el interruptor se usa en un bus.

Un ejemplo de un interruptor SPDT analógico es el NLAS4157 de ON Semiconductor. Este dispositivo tiene una baja resistencia en estado activo de ~0.8 Ohm, lo que lo hace una excelente opción para aplicaciones analógicas de CC o de baja frecuencia. También soporta una corriente continua razonablemente alta a través de cada salida de hasta 300 mA. Cada salida también está altamente aislada con diafonía valorada en -57 dB (valor típico) a 1 MHz para una carga de 50 Ohm. La distorsión armónica total está valorada en 0.012% para 0.5 Vp-p, y el ancho de banda de -3 dB está valorado en 8 MHz, lo que hace que este componente sea una excelente opción para aplicaciones de audio.

Interruptores IC Digitales

Los interruptores digitales no pueden usarse con señales analógicas. Cuando se usan con una señal digital, un interruptor IC digital intenta replicar el nivel lógico de la señal de entrada. Obviamente, la implementación más simple de un interruptor SPST es con una puerta AND, donde las familias lógicas del controlador y del interruptor IC son las mismas. El fanout también es un punto importante aquí cuando se usa un solo controlador con múltiples interruptores, aunque hay interruptores IC de bus disponibles con múltiples salidas y disparadores de habilitación independientes.

Un ejemplo de un interruptor IC de bus digital de 2 bits es el SN74CBTD3306 de Texas Instruments. Este interruptor IC FET dual incluye 2 pines de habilitación de salida independientes y 2 entradas independientes, lo que permite conectar el interruptor como dos interruptores SPST o en una configuración estilo flip-flop. Una aplicación útil de este componente es en el cambio de nivel de señales de 5 V (TTL) a 3.3 V gracias a un diodo interno en el pin VCC. Aunque no está diseñado para transmisión de datos de alta velocidad, proporciona conmutación rápida con tiempos de habilitación y deshabilitación de ~5 ns con solo 250 ps de retardo de propagación.

Cuando necesitas colocar un interruptor en tu nuevo sistema, hay muchas opciones en el mercado, pero probablemente estarás usando otros componentes para generar y aceptar señales. Algunos otros componentes que se encuentran comúnmente en sistemas con interruptores IC son:

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