Multiplexer vs. Switch: Którego użyć?

Gdy sieci telekomunikacyjne muszą dzielić rzadkie zasoby fizycznych kanałów między wieloma źródłami/odbiorcami, używają prostej techniki zwanej multipleksacją/demultipleksacją. Jest to podstawowa technika do kierowania dużych ilości danych szeregowych lub równoległych przez pojedynczy kanał fizyczny. Multipleksery często omawiane są w tym samym kontekście co przełączniki, które mogą dostarczać tę samą funkcjonalność. Co więc odróżnia te komponenty i który z nich potrzebujesz do swojego systemu cyfrowego lub analogowego?

Różnice między multiplekserem a przełącznikiem można znaleźć w ich budowie na poziomie układów scalonych i ich specyfikacjach. Ponadto, istnieją różne metody multipleksacji dla różnych zastosowań (przestrzenna, podział czasu, lub podział częstotliwości/długości fali), co czyni wybór między przełącznikiem a multiplekserem bardziej zagmatwanym. Oto niektóre z funkcjonalnych i elektrycznych charakterystyk, które różnicują multiplekser od przełącznika i kiedy możesz użyć każdego z nich w swojej aplikacji.

Multiplekser vs. Przełącznik

Różnica między tymi komponentami może być myląca, i nie pomaga fakt, że schemat funkcjonalny multipleksera często przedstawiany jest jako przełącznik. To sugeruje, że są one zasadniczo mechanicznymi przełącznikami, ale z pewnością nie jest to przypadek nowoczesnych multiplekserów i przełączników. Jednym wyjątkiem są przełączniki zbudowane jako mikroelektromechaniczne systemy (MEMS), które rzeczywiście mają mały mechaniczny element przełączający.

Poza tym punktem dotyczącym MEMS, większość przełączników i multiplekserów jest budowana przy użyciu tranzystorów FET i pewnego układu wspomagającego, i są aktywowane sygnałem sterującym, a nie ręką użytkownika. Oba typy komponentów są dostępne jako układy scalone do montażu przewlekanego lub SMD w standardowych obudowach, więc projektanci mają dostęp do szerokiej gamy przełączników i multiplekserów dla różnych zastosowań. Jednym wyjątkiem są aplikacje wysokiej mocy, gdzie do dystrybucji mocy można używać elektrycznego przełączania z wysokomocowymi tranzystorami zamiast mechanicznego przełączania.

Aby lepiej zrozumieć różnicę między tymi komponentami, przyjrzyjmy się bliżej, jak działają i jakie mają specyfikacje:

Analogowe vs. Cyfrowe

Oba typy komponentów występują w wariantach analogowych lub cyfrowych. Przełącznik analogowy może przekazywać zarówno sygnały analogowe, jak i cyfrowe, ale przełączniki cyfrowe przekazują tylko poziomy logiki cyfrowej. Ta sama idea dotyczy multiplekserów, ale definicja multipleksera jest szeroka; multipleksery mogą być również analogowe z pewnym zdefiniowanym pasmem, podczas gdy multipleksery cyfrowe są zbudowane całkowicie z obwodów logiki cyfrowej i również przekazują tylko stany logiki.

Selekcja Sygnału

Najlepszym sposobem opisania roli multipleksera jest w kontekście selekcji sygnału. Multiplekser niekoniecznie izoluje sekcje systemu górnego i dolnego, ale jego większa rezystancja w stanie załączenia oznacza, że impedancja wejściowa widziana przez komponent sterujący jest mniej zależna od impedancji wejściowej komponentu obciążającego. W przeciwieństwie, przełącznik ma tendencję do posiadania znacznie niższej rezystancji w stanie załączenia (tak niskiej jak 1 Ohm) i reaktancji przy stosunkowo niskich częstotliwościach.

Specyfikacje

Oto niektóre z ważnych specyfikacji, które są wspólne dla przełączników i multiplekserów:

• Czas przełączania. Informuje o czasie potrzebnym komponentowi na przełączenie między różnymi kanałami. Idealnie, czas przełączania powinien być znacznie krótszy niż czas narastania sygnału (dla sygnałów cyfrowych).

• Prędkość narastania i czas ustalania. Gdy kanał w jednym z tych komponentów jest aktywowany, występuje określony czas przełączania podczas przejścia do pełnego poziomu sygnału (mierzony jako 10%-90% dla sygnałów cyfrowych). Po przełączeniu, wyjście wymaga pewnego czasu, aby ustabilizować się na poziomie sygnału widzianym na wejściu. Może to być czynnik 10 dłuższy niż czas przełączania lub czas narastania.

• Pasmo przenoszenia. Pasmo przenoszenia przełącznika lub multipleksera odnosi się do punktu -3 dB w funkcji transferu kanału. Jest ono ustalane przez wewnętrzną pojemność wejściową i oporność w stanie załączenia.

• Kierunkowość. Przełączniki są dwukierunkowe, podczas gdy multipleksery są jednokierunkowe. Należy zauważyć, że niektóre nowsze multipleksery mają taką samą topologię jak przełączniki analogowe i mogą być używane jako multipleksery dwukierunkowe.

• Przeciek kanału. Komponenty z niższą opornością kanału w stanie załączenia mają tendencję do wyższego prądu przecieku kanału.

• Liczba kanałów. Przełącznik/multiplekser będzie miał pewną liczbę kanałów (stosunek N:1), gdzie N kanałów wejściowych jest kierowanych do jednego kanału. Należy zauważyć, że przełącznik może być zaimplementowany ze stosunkiem 1:N dzięki swojej dwukierunkowości, ale nie jest to przypadek z multiplekserem.

• Proces. Przełączniki i multipleksery CMOS są znacznie wolniejsze niż komponenty wyprodukowane z procesów bipolarnych. Z tego powodu, najszybsze przełączniki używają procesu FET w celu obsługi aplikacji o wysokiej przepustowości danych.

Niektóre przełączniki lub multipleksery mogą być połączone w zagnieżdżoną topologię, np. gdzie wiele multiplekserów N:1 jest połączonych z innym multiplekserem N:1. Przykład multipleksera czterokanałowego 2:1 jest pokazany poniżej.

Schemat logiczny multipleksera czterokanałowego 2:1 MC74ACT157DG firmy ON Semiconductor. Źródło: karta katalogowa MC74ACT157DG.

Należy zauważyć, że multipleksowanie i SerDes to nie to samo. Multiplekser może być zaimplementowany jako serializer, poprzez cykliczne przełączanie bitów kontrolnych na multiplekserze w kolejności, jak komponent odbiera dane równoległe. Ponadto, multipleksowanie jest używane dla SerDes z przeplotem bitowym, gdzie wiele wolnych strumieni danych szeregowych jest kompresowanych do jednego strumienia danych o wysokiej prędkości. Poza tym, obie techniki nie są takie same. Istnieją inne zastosowania, gdzie multipleksowanie jest używane, ponieważ eliminuje potrzebę jednego lub większej liczby przełączników mechanicznych/elektromechanicznych.

Zastosowania multiplekserów i przełączników

Podsumowując, niektóre aplikacje będą działać równie dobrze z oboma typami komponentów. Aplikacje analogowe wysokiej częstotliwości powinny skupić się bardziej na przepustowości i oporze w stanie załączenia niż na innych metrykach. Ponadto, każda aplikacja, która wymaga wyboru między wieloma strumieniami danych lub kompresji danych do pojedynczego strumienia bitów, może wykorzystać multipleksery lub przełączniki. Niektóre zastosowania multiplekserów i przełączników to:

• Wideo wysokiej prędkości i audio wysokiej wierności

• Telewizja kablowa/satelitarna

• Wybór anteny w układach fazowych do formowania wiązki i multipleksowania przestrzennego

Gdy potrzebujesz porównać potencjalny multiplekser vs. układ scalony przełącznika, spróbuj użyć zaawansowanych funkcji wyszukiwania i filtracji w Octopart. Będziesz miał dostęp do obszernej wyszukiwarki z danymi dystrybutorów i specyfikacjami części, wszystko to dostępne w przyjaznym dla użytkownika interfejsie. Zapoznaj się z naszą stroną układów scalonych, aby znaleźć komponenty, których potrzebujesz do transmisji i zarządzania danymi.

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.