マルチプレクサー対スイッチ：どちらを使用すべきか？

複数の送受信源が限られた物理チャネルリソースを共有する必要がある場合、通信ネットワークでは多重化/逆多重化と呼ばれる単純な技術を使用します。これは、単一の物理チャネル上で大量のシリアルまたはパラレルデータをルーティングするための基本的な技術です。多重化器は、同じ機能を提供できるスイッチと同じ文脈でよく議論されます。では、これらのコンポーネントがどのように異なり、デジタルまたはアナログシステムにどちらが必要かは何でしょうか？

多重化器とスイッチの違いは、ICレベルでの構造と仕様にあります。さらに、異なるアプリケーション（空間、時分割、または周波数/波長分割）には異なる多重化方法があり、スイッチと多重化器の選択をより混乱させます。ここでは、多重化器とスイッチを区別する機能的および電気的特性と、アプリケーションでそれぞれをいつ使用するかについて説明します。

多重化器 vs. スイッチ

これらのコンポーネントの違いは混乱しやすく、多重化器の機能図がしばしばスイッチとして描かれることがあります。これは、基本的に機械的なスイッチであることを意味していますが、現代の多重化器とスイッチには当てはまりません。例外は、微小な機械的スイッチング要素を持つマイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）として構築されたスイッチです。

MEMSに関するこの点を除いて、ほとんどのスイッチと多重化器はFETといくつかのサポート回路を使用して構築され、ユーザーの手ではなく制御信号でアクティブ化されます。両方のタイプのコンポーネントは、スルーホールまたはSMD ICとして標準パッケージで利用可能であり、設計者はさまざまなアプリケーション用の幅広いスイッチと多重化器にアクセスできます。例外は高電力アプリケーションで、電力分配のために機械的スイッチングの代わりに高電力トランジスタを使用した電気スイッチングが使用されます。

これらのコンポーネントの違いをより深く理解するために、それらがどのように動作し、仕様がどのようなものかをもう少し詳しく見てみましょう：

アナログ vs. デジタル

両方のタイプのコンポーネントは、アナログまたはデジタルのバリエーションで提供されます。アナログスイッチはアナログおよびデジタル信号の両方を通過させることができますが、デジタルスイッチはデジタルロジックレベルのみを通過させます。多重化器にも同じ考えが適用されますが、多重化器の定義は広範であり、一定の帯域幅を持つアナログの場合もあれば、完全にデジタルロジック回路から構築され、ロジック状態のみを通過させるデジタル多重化器もあります。

信号選択

多重化器の役割を説明する最良の方法は、信号選択の観点からです。多重化器は必ずしもシステムの上流部と下流部を隔離するわけではありませんが、その高いオン状態抵抗により、ドライバーコンポーネントによって見られる入力インピーダンスは、負荷コンポーネントの入力インピーダンスに依存しにくくなります。対照的に、スイッチはオン状態抵抗が非常に低い（1オームまで低い）ことが多く、比較的低い周波数でのリアクタンスも低いです。

仕様

スイッチと多重化器に共通するいくつかの重要な仕様は次のとおりです：

• 切り替え時間。 これは、コンポーネントが異なるチャネル間で切り替えるのに必要な時間を示します。理想的には、切り替え時間はデジタル信号の立ち上がり時間よりもはるかに短くあるべきです。

• スルーレートと安定時間。 これらのコンポーネントのチャネルの1つがアクティブになると、フルスケール信号レベルへの遷移中に特定の切り替え時間があります（デジタル信号の場合は10％-90％として測定されます）。切り替え後、出力は入力で見られる信号レベルに安定するまでに時間がかかります。これは、切り替え時間または立ち上がり時間の10倍以上になることがあります。

• 帯域幅。 スイッチまたはマルチプレクサーの帯域幅は、チャネルの伝達関数の-3 dB点を指します。これは、内部入力容量とオン状態抵抗によって設定されます。

• 方向性。 スイッチは双方向であり、マルチプレクサーは単方向です。ただし、新しいマルチプレクサーの中にはアナログスイッチと同じトポロジーを持ち、双方向マルチプレクサーとして使用できるものもあります。

• チャネルリーク。 オン状態のチャネル抵抗が低いコンポーネントは、より高いチャネルリーク電流を持ちがちです。

• チャネル数。 スイッチ/マルチプレクサーには、いくつかのチャネル数（N:1比）があります。ここで、N入力チャネルが1つのチャネルにルーティングされます。スイッチはその双方向性のおかげで1:N比で実装できますが、マルチプレクサーではそうはいきません。

• プロセス。 CMOSスイッチおよびマルチプレクサーは、バイポーラプロセスで製造されたコンポーネントよりもはるかに遅いです。このため、最速のスイッチは高データレートアプリケーションに対応するためにFETプロセスを使用します。

一部のスイッチまたはマルチプレクサーは、複数のN:1マルチプレクサーが別のN:1マルチプレクサーに配線されるネストされたトポロジーで配線される場合があります。以下に、クアッド2:1マルチプレクサーの例を示します。

ON SemiconductorからのMC74ACT157DGクアッド2:1マルチプレクサーのロジック図。出典: MC74ACT157DGデータシート。

マルチプレクシングとSerDesは同じではありません。マルチプレクサーは、コンポーネントが並列データを受信するにつれてマルチプレクサーの制御ビットを順番にサイクリングすることによってシリアライザーとして実装される場合があります。さらに、マルチプレクシングは、複数の遅いシリアルデータビットストリームを1つの高速ビットストリームに圧縮するビットインターリーブSerDesに使用されます。それ以外の点では、2つの技術は同じではありません。マルチプレクシングは、1つ以上の機械的/電気機械的スイッチの必要性を排除するために使用される他のアプリケーションもあります。

マルチプレクサーとスイッチのアプリケーション

要約すると、一部のアプリケーションは、どちらのタイプのコンポーネントを使用しても問題なく動作します。高周波アナログアプリケーションは、他の指標よりも帯域幅とオン状態抵抗に注目すべきです。さらに、複数のデータストリーム間で選択する必要があるアプリケーションや、データを単一のビットストリームに圧縮する必要があるアプリケーションは、マルチプレクサーやスイッチを使用できます。マルチプレクサーとスイッチの一部のアプリケーションには、以下が含まれます：

• 高速ビデオおよび高忠実度オーディオ

• ケーブル/衛星テレビ

• ビームフォーミングおよび空間多重化のための位相配列におけるアンテナ選択

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