Multiplexer vs. Switch: Quale dovresti usare?

Quando le reti di telecomunicazioni devono condividere scarse risorse di canale fisico tra molteplici sorgenti/ricevitori, utilizzano una tecnica semplice chiamata multiplexing/demultiplexing. Questa è una tecnica fondamentale per instradare grandi quantità di dati seriali o paralleli su un unico canale fisico. I multiplexer sono spesso discussi nello stesso contesto degli switch, che possono fornire la stessa funzionalità. Quindi, cosa rende questi componenti diversi, e quale hai bisogno per il tuo sistema digitale o analogico?

Le differenze tra un multiplexer e uno switch si possono trovare nella loro costruzione a livello di IC e nelle loro specifiche. Inoltre, esistono diversi metodi di multiplexing per diverse applicazioni (spaziale, divisione temporale o divisione di frequenza/lunghezza d'onda), rendendo la scelta tra uno switch e un multiplexer più confusa. Ecco alcune delle caratteristiche funzionali ed elettriche che differenziano un multiplexer da uno switch e quando potresti utilizzare ciascuno nella tua applicazione.

Multiplexer vs. Switch

La differenza tra questi componenti può essere confusa, e non aiuta il fatto che il diagramma funzionale per un multiplexer è spesso ritratto come uno switch. Questo implica che sono sostanzialmente degli switch meccanici, ma certamente questo non è il caso con i multiplexer e gli switch moderni. L'unica eccezione sono gli switch costruiti come sistemi microelettromeccanici (MEMS), che hanno effettivamente un piccolo elemento di commutazione meccanica.

A parte questo punto sui MEMS, la maggior parte degli switch e dei multiplexer sono costruiti utilizzando FET e alcuni circuiti di supporto e sono attivati con un segnale di controllo, piuttosto che con la mano dell'utente. Entrambi i tipi di componenti sono disponibili come IC through-hole o SMD in pacchetti standard, quindi i progettisti hanno accesso a una vasta gamma di switch e multiplexer per diverse applicazioni. L'unica eccezione è per le applicazioni ad alta potenza, dove la commutazione elettrica può essere utilizzata con transistor ad alta potenza invece della commutazione meccanica per la distribuzione di potenza.

Per comprendere meglio la differenza tra questi componenti, diamo un'occhiata più approfondita a come operano e alle loro specifiche:

Analogico vs. Digitale

Entrambi i tipi di componenti sono disponibili nelle varietà analogiche o digitali. Uno switch analogico può trasmettere sia segnali analogici che digitali, ma gli switch digitali trasmettono solo livelli logici digitali. La stessa idea si applica ai multiplexer, ma la definizione di un multiplexer è ampia; i multiplexer possono anche essere analogici con una certa larghezza di banda definita, mentre i multiplexer digitali sono costruiti interamente da circuiti logici digitali e trasmettono anche solo stati logici.

Selezione del Segnale

Il modo migliore per descrivere il ruolo di un multiplexer è in termini di selezione del segnale. Un multiplexer non isola necessariamente le sezioni a monte e a valle del sistema, ma la sua maggiore resistenza in stato attivo significa che l'impedenza in ingresso vista dal componente driver è meno dipendente dall'impedenza in ingresso del componente di carico. Al contrario, uno switch tende ad avere una resistenza in stato attivo molto più bassa (bassa fino a 1 Ohm) e reattanza a frequenze relativamente basse.

Specifiche

Ecco alcune delle specifiche importanti che sono comuni a switch e multiplexer:

• Tempo di commutazione. Questo indica il tempo necessario al componente per passare tra diversi canali. Idealmente, il tempo di commutazione dovrebbe essere molto inferiore al tempo di salita del segnale (per i segnali digitali).

• Tasso di variazione e tempo di assestamento. Quando un canale in uno di questi componenti viene attivato, c'è un tempo di commutazione specifico durante la transizione al livello di segnale a scala piena (misurato come 10%-90% per i segnali digitali). Dopo la commutazione, l'uscita richiede del tempo per stabilizzarsi al livello di segnale visto all'ingresso. Questo può essere un fattore 10 più lungo del tempo di commutazione o del tempo di salita.

• Larghezza di banda. La larghezza di banda di uno switch o multiplexer si riferisce al punto -3 dB nella funzione di trasferimento di un canale. Questo è determinato dalla capacità di ingresso interna e dalla resistenza in stato attivo.

• Direzionalità. Gli switch sono bidirezionali, mentre i multiplexer sono monodirezionali. Da notare che alcuni multiplexer più recenti hanno la stessa topologia degli switch analogici e possono essere utilizzati come multiplexer bidirezionali.

• Perdita di canale. I componenti con minore resistenza di canale in stato attivo tendono ad avere una maggiore corrente di perdita di canale.

• Conteggio dei canali. Uno switch/multiplexer avrà un certo numero di canali (rapporto N:1), dove N canali di ingresso sono indirizzati in un singolo canale. Da notare che uno switch può essere implementato con un rapporto 1:N grazie alla sua bidirezionalità, ma questo non è il caso con un multiplexer.

• Processo. Gli switch e i multiplexer CMOS sono molto più lenti dei componenti fabbricati con processi bipolari. Per questa ragione, gli switch più veloci utilizzano un processo FET per soddisfare le applicazioni ad alta velocità di trasmissione dati.

Alcuni switch o multiplexer possono essere cablati in una topologia nidificata, ad esempio, dove più multiplexer N:1 sono collegati in un altro multiplexer N:1. Di seguito è mostrato un esempio di un multiplexer quadruplo 2:1.

Diagramma logico del MC74ACT157DG quad 2:1 multiplexer di ON Semiconductor. Fonte: MC74ACT157DG datasheet.

Da notare che il multiplexing e SerDes non sono la stessa cosa. Un multiplexer può essere implementato come un serializzatore ciclando attraverso i bit di controllo sul multiplexer in ordine man mano che il componente riceve dati paralleli. Inoltre, il multiplexing è utilizzato per SerDes a bit intercalati, dove più flussi di bit seriali lenti sono compressi in un unico flusso di bit ad alta velocità. A parte questo, le due tecniche non sono la stessa cosa. Ci sono altre applicazioni in cui il multiplexing è utilizzato poiché elimina la necessità di uno o più switch meccanici/elettromeccanici.

Applicazioni di Multiplexer e Switch

In sintesi, alcune applicazioni funzioneranno bene sia con un tipo di componente che con l'altro. Le applicazioni analogiche ad alta frequenza dovrebbero concentrarsi più sulla larghezza di banda e sulla resistenza in stato attivo che su altre metriche. Inoltre, qualsiasi applicazione che richiede la selezione tra più flussi di dati o la compressione dei dati in un unico flusso di bit può fare uso di multiplexer o switch. Alcune applicazioni di multiplexer e switch includono:

• Video ad alta velocità e audio ad alta fedeltà

• Televisione via cavo/satellite

• Selezione dell'antenna in array a fasi per beamforming e multiplexing spaziale

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