アナログおよびデジタルアプリケーション用のスイッチICの選択と使用

投稿日 2021/12/21, 火曜日
更新日 2024/07/1, 月曜日

多くの電子機器は手動スイッチによるユーザー入力を受け付けますが、すべてのシステムで論理条件をトリガーする最適な方法とは限りません。埋め込みシステムが何らかのWeb APIとインターフェースし、機械的なスイッチがない場合はどうでしょうか？また、ボードが大きなシステムに埋め込まれ、手動でアクセスできない場合はどうでしょうか？

スイッチICは、論理条件や必ずしも機械的なコンポーネントを含まないユーザー入力に基づいて周辺機器をアクティブにするための優れたオプションです。スイッチICは電気的にアクティブ化され、時にはMCUやアナログ信号レベルで行われます。このタイプのスイッチングをシステムに実装する必要がある場合、スイッチICの選択と使用に関するいくつかのガイドラインに従うことができます。

重要なスイッチICの仕様

スイッチICは、機械的スイッチの電気的アナログである単純な集積回路です。これらのコンポーネントは、ユーザー入力、論理条件、またはセンサーレベルに基づいて便利なスイッチングメカニズムを提供します。スイッチングは、低速デジタルインターフェースまたはコンポーネントの有効ピンに適用されるDC（例：GPIOで供給される）でトリガーされます。スイッチICは、典型的な機械的スイッチ（SPST、SPDTなど）と同じ電気的機能を提供できるため、電子システムに簡単に実装できます。

システム用のスイッチICを選択する際には、これらの仕様に注意してください：

ポール、スロー、およびチャネル。 スイッチICは通常、SPST、SPDT、またはDPDTタイプです。複数のスイッチ（つまりチャネル）が同じパッケージに現れることがあります。
アナログ対デジタルスイッチ。 利用可能なスイッチには2種類あり、常に互換性があるわけではありません。これら2種類のスイッチについては以下で説明します。
帯域幅と抵抗/インピーダンス。 これは高周波数でのみ重要になり、スイッチで信号反射がないようにインピーダンスマッチングが必要になる場合があります。ダイとスイッチング回路構造もスイッチの帯域幅を制限します。高周波数の場合、スイッチを見た入力インピーダンスがラインインピーダンスと一致するように抵抗を選択する必要があります。これらのアプリケーション用に特殊なRFスイッチが利用可能であることに注意してください。
データレート（デジタルスイッチの場合）。 デジタルスイッチには、スイッチの帯域幅を決定する上昇時間があります。これにより、デバイスがオンになったときに供給できるデータレートが制限されます。バックプレーンなど、異なる高速デジタルインターフェース間での切り替えが必要なアプリケーションでは、この仕様に注意してください。
単一対デュアル供給システム。 レイアウトに単一の供給電圧がある場合は、可能であれば単一供給スイッチを使用すると、レイアウトがはるかに便利になります。一部のアナログスイッチでは、負の供給ピンを接続する必要があり、これによりコンポーネントからの負の極性出力が制限されることに注意してください。

高速デジタルデータを扱う場合、データを切り替えるために専門のクロスポイントスイッチが使用されます。これらのコンポーネントは高速ロジックを使用して構築され、特定のプロトコル、変調タイプ（例：NRZ）、または信号規格をサポートすることを目的としています。

アナログスイッチIC

スイッチICにはデジタルとアナログの種類があります。どちらのタイプのスイッチもそれぞれ利点がありますが、IC内で出力が有効になる方法によって、ダイレベルで機能が異なります。ある状況ではデジタル信号にアナログICを使用することができますが、その逆は真ではありません。

アナログスイッチICは、オンになるとデジタルまたはアナログ信号を伝導できます。本質的にはリレーのように機能し、入力制御トリガー信号がアナログスイッチを高伝導状態に駆動します。アナログスイッチは双方向でもあり、出力でアナログ信号を再現するために期待されるように機能します。しかし、負荷が小さすぎるか入力電圧レベルが供給電圧を超えると、出力が飽和することがあります。デジタル信号にも同じ考えが適用されますが、スイッチがバス上で使用される場合にファンアウトが乱されないようにする必要があります。

アナログSPDTスイッチの例としては、ON SemiconductorのNLAS4157があります。このデバイスは約0.8オームの低オン状態抵抗を持ち、DCまたは低周波アナログアプリケーションに優れた選択肢です。また、各出力を通じて最大300mAの比較的高い連続電流をサポートします。各出力は50オーム負荷で1MHzで-57dB（典型値）の高い隔離性を持つクロストークで非常に高く隔離されています。全高調波歪は0.5Vp-pで0.012％と評価され、-3dB帯域幅は8MHzと評価されており、このコンポーネントはオーディオアプリケーションに優れた選択です。

デジタルスイッチIC

デジタルスイッチはアナログ信号では使用できません。デジタル信号と共に使用される場合、デジタルスイッチICは入力信号の論理レベルを再現しようと試みます。明らかに、SPSTスイッチの最も単純な実装は、ドライバーとスイッチICの論理ファミリーが同じである場合のANDゲートです。ファンアウトは、複数のスイッチを持つ単一のドライバーを使用する場合にも重要なポイントですが、複数の出力と独立した有効トリガーを持つバススイッチICも利用可能です。

2ビットデジタルバススイッチICの例としては、Texas InstrumentsのSN74CBTD3306があります。このデュアルFETスイッチICには、2つの独立した出力有効ピンと2つの独立した入力が含まれており、スイッチを2つのSPSTスイッチまたはフリップフロップスタイルの構成として配線できます。このコンポーネントの有用なアプリケーションの一つは、VCCピンの内部ダイオードのおかげで5V信号（TTL）を3.3Vにレベルシフトすることです。高速データ伝送には設計されていませんが、有効化および無効化時間が約5nsで、伝播遅延がわずか250psであるため、高速スイッチングを提供します。

新しいシステムにスイッチを配置する必要がある場合、市場には多くのオプションがありますが、他のコンポーネントを使用して信号を生成および受け入れることが多いでしょう。スイッチICを搭載したシステムで一般的に見られる他のコンポーネントには：

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