Sélection et utilisation d'un circuit intégré de commutation pour applications analogiques et numériques

Créé: December 21, 2021
Mise à jour: Juillet 1, 2024

De nombreux appareils électroniques acceptent une entrée utilisateur avec une commutation manuelle, mais ce n'est pas toujours la meilleure manière de déclencher une condition logique dans chaque système. Que se passe-t-il si nous avons un système embarqué qui interagit avec une API web et qu'il n'y a pas d'interrupteur mécanique ? Que se passe-t-il si la carte est enfouie dans un système plus grand et qu'elle ne sera jamais accessible manuellement ?

Un circuit intégré de commutation est une excellente option pour activer des périphériques basés sur des conditions logiques ou une entrée utilisateur qui n'implique pas nécessairement un composant mécanique. Un circuit intégré de commutation est activé électriquement, parfois avec un MCU ou un niveau de signal analogique. Lorsque vous devez implémenter ce type de commutation dans votre système, voici quelques lignes directrices que vous pouvez suivre pour sélectionner et utiliser des circuits intégrés de commutation.

Spécifications importantes des circuits intégrés de commutation

Un circuit intégré de commutation est un circuit intégré simple qui est l'analogue électrique d'un interrupteur mécanique. Ces composants fournissent un mécanisme de commutation pratique basé sur une entrée utilisateur, des conditions logiques, ou même un niveau de capteur. La commutation est déclenchée avec une interface numérique à basse vitesse ou un courant continu appliqué à la broche d'activation du composant (par exemple, comme fourni avec un GPIO). Les circuits intégrés de commutation peuvent fournir la même fonction électrique qu'un interrupteur mécanique typique (SPST, SPDT, etc.), ce qui les rend faciles à implémenter dans un système électronique.

Faites attention à ces spécifications lorsque vous sélectionnez un circuit intégré de commutation pour votre système :

Pôles, lancers et canaux. Les circuits intégrés de commutation sont typiquement de type SPST, SPDT ou DPDT. Plusieurs commutateurs (c'est-à-dire, canaux) peuvent apparaître dans le même boîtier.
Commutateur analogique vs numérique. Il existe deux types de commutateurs disponibles, et ils ne sont pas toujours interchangeables. Ces deux types de commutateurs seront discutés ci-dessous.
Bande passante et résistance/impédance. Cela devient important seulement à haute fréquence, où une adaptation d'impédance peut être nécessaire pour assurer qu'il n'y a pas de réflexion de signal au niveau du commutateur. La matrice et la structure du circuit de commutation limiteront également la bande passante du commutateur. Pour les hautes fréquences, la résistance devrait être choisie de manière à ce que l'impédance d'entrée regardant dans le commutateur corresponde à l'impédance de la ligne. Notez qu'il existe des commutateurs RF spécialisés disponibles pour ces applications.
Taux de données (pour les commutateurs numériques). Les commutateurs numériques ont un certain temps de montée qui détermine la bande passante du commutateur. Cela limitera le taux de données qui peut être fourni lorsque le dispositif est activé. Pour les applications nécessitant la commutation entre différentes interfaces numériques à haute vitesse, comme dans un fond de panier, faites attention à cette spécification.
Système à alimentation unique vs double alimentation. Si vous avez une tension d'alimentation unique dans votre agencement, alors vous devriez utiliser un commutateur à alimentation unique si possible car cela rend l'agencement beaucoup plus pratique. Notez que certains commutateurs analogiques nécessitent la connexion d'une broche d'alimentation négative, ce qui limitera la sortie de polarité négative du composant.

Lorsque vous travaillez avec des données numériques à haute vitesse, un commutateur croisé spécialisé est utilisé pour commuter les données. Ces composants sont construits en utilisant une logique à haute vitesse et sont destinés à supporter des protocoles spécifiques, des types de modulation (par exemple, NRZ) ou des normes de signalisation.

Commutateurs IC analogiques

Les circuits intégrés (CI) de commutation existent en variétés numériques et analogiques. Les deux types de commutateurs ont leurs avantages, mais ils fonctionnent différemment au niveau du die en raison de la manière dont la sortie est activée dans le CI. Vous pouvez utiliser un CI analogique avec des signaux numériques dans certaines situations, mais l'inverse n'est pas vrai.

Un commutateur CI analogique peut conduire des signaux numériques ou analogiques lorsqu'il est activé. En essence, ils agissent comme un relais, où le signal de déclenchement de commande d'entrée entraîne le commutateur analogique dans un état de haute conductivité. Les commutateurs analogiques sont également bidirectionnels, comme on pourrait s'y attendre pour que le commutateur puisse reproduire le signal analogique en sortie. Cependant, la sortie peut saturer, soit lorsque la charge est trop petite, soit lorsque le niveau de tension d'entrée dépasse la tension d'alimentation. La même idée s'applique aux signaux numériques, bien qu'avec les signaux numériques, nous devons seulement nous assurer que le fanout n'est pas perturbé lorsque le commutateur est utilisé sur un bus.

Un exemple de commutateur SPDT analogique est le NLAS4157 de ON Semiconductor. Ce dispositif a une faible résistance à l'état passant d'environ 0,8 Ohm, ce qui en fait un excellent choix pour les applications analogiques DC ou à basse fréquence. Il supporte également un courant continu raisonnablement élevé à travers chaque sortie jusqu'à 300 mA. Chaque sortie est également hautement isolée avec un diaphonie évaluée à -57 dB (valeur typique) à 1 MHz pour une charge de 50 Ohm. La distorsion harmonique totale est évaluée à 0,012 % pour 0,5 Vp-p, et la bande passante à -3 dB est évaluée à 8 MHz, faisant de ce composant un excellent choix pour les applications audio.

Commutateurs CI Numériques

Les commutateurs numériques ne peuvent pas être utilisés avec des signaux analogiques. Lorsqu'ils sont utilisés avec un signal numérique, un commutateur CI numérique tente de reproduire le niveau logique du signal d'entrée. Évidemment, la mise en œuvre la plus simple d'un commutateur SPST se fait avec une porte ET, où les familles logiques du pilote et du CI commutateur sont les mêmes. Le fanout est également un point important ici lors de l'utilisation d'un seul pilote avec plusieurs commutateurs, bien qu'il existe des CI commutateurs de bus disponibles avec plusieurs sorties et déclencheurs d'activation indépendants.

Un exemple de CI commutateur de bus numérique 2 bits est le SN74CBTD3306 de Texas Instruments. Ce CI commutateur FET double comprend 2 broches d'activation de sortie indépendantes et 2 entrées indépendantes, permettant de câbler le commutateur comme deux commutateurs SPST ou une configuration de style bascule. Une application utile de ce composant est dans le décalage de niveau des signaux 5 V (TTL) vers 3.3 V grâce à une diode interne sur la broche VCC. Bien qu'il ne soit pas conçu pour la transmission de données à haute vitesse, il offre une commutation rapide avec des temps d'activation et de désactivation d'environ ~5 ns et seulement 250 ps de retard de propagation.

Lorsque vous avez besoin de placer un commutateur dans votre nouveau système, il existe de nombreuses options sur le marché, mais vous utiliserez probablement d'autres composants pour générer et accepter les signaux. Certains autres composants qui se trouvent couramment dans les systèmes avec des CI commutateurs sont :

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