Multiplexeur vs. Commutateur : Lequel Devriez-Vous Utiliser ?

Lorsque les réseaux de télécommunications doivent partager des ressources de canaux physiques rares entre plusieurs sources/récepteurs, ils utilisent une technique simple appelée multiplexage/démultiplexage. C'est une technique fondamentale pour acheminer de grandes quantités de données sérielles ou parallèles sur un seul canal physique. Les multiplexeurs sont souvent discutés dans le même contexte que les commutateurs, qui peuvent fournir la même fonctionnalité. Alors, qu'est-ce qui rend ces composants différents, et lequel avez-vous besoin pour votre système numérique ou analogique ?

Les différences entre un multiplexeur et un commutateur peuvent être trouvées dans leur construction au niveau du circuit intégré et leurs spécifications. De plus, il existe différentes méthodes de multiplexage pour différentes applications (spatiales, division de temps, ou division de fréquence/longueur d'onde), rendant le choix entre un commutateur et un multiplexeur plus confus. Voici certaines des caractéristiques fonctionnelles et électriques qui différencient un multiplexeur d'un commutateur et quand vous pourriez utiliser chacun dans votre application.

Multiplexeur vs. Commutateur

La différence entre ces composants peut être déroutante, et cela n'aide pas que le schéma fonctionnel d'un multiplexeur soit souvent représenté comme un commutateur. Cela implique qu'ils sont essentiellement des commutateurs mécaniques, mais ce n'est certainement pas le cas avec les multiplexeurs et commutateurs modernes. La seule exception concerne les commutateurs construits comme des systèmes microélectromécaniques (MEMS), qui ont en effet un petit élément de commutation mécanique.

À part ce point sur les MEMS, la plupart des commutateurs et multiplexeurs sont construits en utilisant des FETs et certains circuits de soutien et sont activés avec un signal de contrôle, plutôt que par la main de l'utilisateur. Les deux types de composants sont disponibles en tant que circuits intégrés à travers-trou ou SMD dans des boîtiers standard, donc les concepteurs ont accès à une large gamme de commutateurs et de multiplexeurs pour différentes applications. La seule exception est pour les applications de haute puissance, où la commutation électrique peut être utilisée avec des transistors de haute puissance au lieu de la commutation mécanique pour la distribution de puissance.

Pour comprendre davantage la différence entre ces composants, examinons un peu plus en détail leur fonctionnement et leurs spécifications :

Analogique vs. Numérique

Les deux types de composants existent en variétés analogiques ou numériques. Un commutateur analogique peut passer à la fois des signaux analogiques et numériques, mais les commutateurs numériques ne passent que des niveaux logiques numériques. La même idée s'applique aux multiplexeurs, mais la définition d'un multiplexeur est large ; les multiplexeurs peuvent également être analogiques avec une certaine bande passante définie, tandis que les multiplexeurs numériques sont entièrement construits à partir de circuits logiques numériques et ne passent également que des états logiques.

Sélection de Signal

La meilleure façon de décrire le rôle d'un multiplexeur est en termes de sélection de signal. Un multiplexeur n'isole pas nécessairement les sections amont et aval du système, mais sa résistance à l'état passant plus élevée signifie que l'impédance d'entrée vue par le composant conducteur est moins dépendante de l'impédance d'entrée du composant de charge. En contraste, un commutateur a tendance à avoir une résistance à l'état passant beaucoup plus faible (aussi bas que 1 Ohm) et une réactance à des fréquences relativement basses.

Spécifications

Voici certaines des spécifications importantes qui sont communes aux commutateurs et aux multiplexeurs :

• Temps de commutation. Cela vous indique le temps nécessaire au composant pour basculer entre différents canaux. Idéalement, le temps de commutation devrait être bien inférieur au temps de montée du signal (pour les signaux numériques).

• Taux de balayage et temps de stabilisation. Lorsqu'un canal dans l'un de ces composants est activé, il existe un temps de commutation spécifique pendant la transition vers le niveau de signal à pleine échelle (mesuré comme 10%-90% pour les signaux numériques). Après la commutation, la sortie nécessite un certain temps pour se stabiliser au niveau de signal observé à l'entrée. Cela peut être un facteur 10 plus long que le temps de commutation ou le temps de montée.

• Bande passante. La bande passante d'un commutateur ou d'un multiplexeur fait référence au point -3 dB dans la fonction de transfert d'un canal. Cela est déterminé par la capacité d'entrée interne et la résistance à l'état passant.

• Directionnalité. Les commutateurs sont bidirectionnels, tandis que les multiplexeurs sont monodirectionnels. Notez que certains multiplexeurs plus récents ont la même topologie que les commutateurs analogiques, et ils peuvent être utilisés comme multiplexeurs bidirectionnels.

• Fuite de canal. Les composants avec une résistance de canal à l'état passant plus faible ont tendance à avoir un courant de fuite de canal plus élevé.

• Nombre de canaux. Un commutateur/multiplexeur aura un certain nombre de canaux (rapport N:1), où N canaux d'entrée sont acheminés vers un seul canal. Notez qu'un commutateur peut être implémenté avec un rapport 1:N grâce à sa bidirectionnalité, mais ce n'est pas le cas avec un multiplexeur.

• Processus. Les commutateurs et multiplexeurs CMOS sont beaucoup plus lents que les composants fabriqués avec des processus bipolaires. Pour cette raison, les commutateurs les plus rapides utilisent un processus FET afin de s'adapter aux applications à haut débit de données.

Certains commutateurs ou multiplexeurs peuvent être câblés dans une topologie imbriquée, par exemple, où plusieurs multiplexeurs N:1 sont câblés dans un autre multiplexeur N:1. Un exemple de multiplexeur quadruple 2:1 est montré ci-dessous.

Schéma logique pour le multiplexeur quadruple 2:1 MC74ACT157DG de ON Semiconductor. Source : fiche technique MC74ACT157DG.

Notez que le multiplexage et SerDes ne sont pas la même chose. Un multiplexeur peut être implémenté comme un sérialiseur en parcourant les bits de contrôle sur le multiplexeur dans l'ordre au fur et à mesure que le composant reçoit des données parallèles. De plus, le multiplexage est utilisé pour le SerDes entrelacé par bits, où plusieurs flux de bits de données série lents sont compressés en un flux de bits à haute vitesse. Mis à part cela, les deux techniques ne sont pas les mêmes. Il existe d'autres applications où le multiplexage est utilisé car il élimine le besoin d'un ou de plusieurs commutateurs mécaniques/électromécaniques.

Applications des multiplexeurs et commutateurs

En résumé, certaines applications fonctionneront très bien avec l'un ou l'autre type de composant. Les applications analogiques à haute fréquence devraient se concentrer davantage sur la bande passante et la résistance à l'état passant que sur d'autres métriques. De plus, toute application nécessitant de choisir entre plusieurs flux de données ou de compresser des données en un seul flux binaire peut utiliser des multiplexeurs ou des commutateurs. Certaines applications de multiplexeurs et de commutateurs incluent :

• Vidéo à haute vitesse et audio de haute fidélité

• Télévision par câble/satellite

• Sélection d'antenne dans les réseaux à formation de faisceaux et multiplexage spatial

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