Multiplexador vs. Interruptor: Qual Você Deve Usar?

Quando redes de telecomunicações precisam compartilhar recursos de canais físicos escassos entre múltiplas fontes/receptores, elas utilizam uma técnica simples chamada multiplexação/demultiplexação. Esta é uma técnica fundamental para rotear grandes quantidades de dados seriais ou paralelos por um único canal físico. Multiplexadores são frequentemente discutidos no mesmo contexto que switches, que podem fornecer a mesma funcionalidade. Então, o que faz esses componentes serem diferentes, e qual você precisa para o seu sistema digital ou analógico?

As diferenças entre um multiplexador e um switch podem ser encontradas na sua construção no nível de CI e suas especificações. Além disso, existem diferentes métodos de multiplexação para diferentes aplicações (espacial, divisão de tempo, ou divisão de frequência/comprimento de onda), tornando a escolha entre um switch e um multiplexador mais confusa. Aqui estão algumas das características funcionais e elétricas que diferenciam um multiplexador de um switch e quando você pode usar cada um na sua aplicação.

Multiplexador vs. Switch

A diferença entre esses componentes pode ser confusa, e não ajuda que o diagrama funcional de um multiplexador seja frequentemente retratado como um switch. Isso implica que eles são basicamente switches mecânicos, mas certamente não é o caso com multiplexadores e switches modernos. A única exceção são switches construídos como sistemas microeletromecânicos (MEMS), que de fato possuem um pequeno elemento de comutação mecânica.

Além deste ponto sobre MEMS, a maioria dos switches e multiplexadores são construídos usando FETs e alguns circuitos de suporte e são ativados com um sinal de controle, em vez da mão do usuário. Ambos os tipos de componentes estão disponíveis como CIs de montagem em superfície ou através de orifício em pacotes padrão, então os designers têm acesso a uma ampla gama de switches e multiplexadores para diferentes aplicações. A única exceção é para aplicações de alta potência, onde a comutação elétrica pode ser usada com transistores de alta potência em vez de comutação mecânica para distribuição de energia.

Para entender mais sobre a diferença entre esses componentes, vamos olhar um pouco mais a fundo em como eles operam e suas especificações:

Analógico vs. Digital

Ambos os tipos de componentes vêm nas variedades analógica ou digital. Um switch analógico pode passar tanto sinais analógicos quanto digitais, mas switches digitais só passam níveis lógicos digitais. A mesma ideia se aplica a multiplexadores, mas a definição de um multiplexador é ampla; multiplexadores também podem ser analógicos com alguma largura de banda definida, enquanto multiplexadores digitais são construídos inteiramente de circuitos lógicos digitais e também só passam estados lógicos.

Seleção de Sinal

A melhor maneira de descrever o papel de um multiplexador é em termos de seleção de sinal. Um multiplexador não necessariamente isola as seções a montante e a jusante do sistema, mas sua maior resistência no estado ligado significa que a impedância de entrada vista pelo componente de acionamento é menos dependente da impedância de entrada do componente de carga. Em contraste, um switch tende a ter uma resistência no estado ligado muito menor (tão baixa quanto 1 Ohm) e reatância em frequências relativamente baixas.

Especificações

Aqui estão algumas das especificações importantes que são comuns a switches e multiplexadores:

• Tempo de comutação. Isso indica o tempo necessário para o componente alternar entre diferentes canais. Idealmente, o tempo de comutação deve ser muito menor do que o tempo de subida do sinal (para sinais digitais).

• Taxa de variação e tempo de assentamento. Quando um canal em um desses componentes é ativado, existe um tempo de comutação específico durante a transição para o nível de sinal de escala completa (medido como 10%-90% para sinais digitais). Após a comutação, a saída requer algum tempo para se estabilizar no nível de sinal visto na entrada. Isso pode ser um fator 10 mais longo que o tempo de comutação ou tempo de subida.

• Largura de banda. A largura de banda de um switch ou multiplexador refere-se ao ponto de -3 dB na função de transferência de um canal. Isso é definido pela capacitância de entrada interna e resistência em estado ligado.

• Direcionalidade. Switches são bidirecionais, enquanto multiplexadores são monodirecionais. Note que alguns multiplexadores mais novos têm a mesma topologia que switches analógicos, e eles podem ser usados como multiplexadores bidirecionais.

• Vazamento de canal. Componentes com menor resistência de canal em estado ligado tendem a ter maior corrente de vazamento de canal.

• Contagem de canais. Um switch/multiplexador terá alguma contagem de canais (relação N:1), onde N canais de entrada são direcionados para um único canal. Note que um switch pode ser implementado com uma relação 1:N graças à sua bidirecionalidade, mas esse não é o caso com um multiplexador.

• Processo. Switches e multiplexadores CMOS são muito mais lentos do que componentes fabricados com processos bipolares. Por essa razão, os switches mais rápidos usam um processo FET para acomodar aplicações de alta taxa de dados.

Alguns switches ou multiplexadores podem ser conectados em uma topologia aninhada, por exemplo, onde vários multiplexadores N:1 são conectados a outro multiplexador N:1. Um exemplo de um multiplexador quádruplo 2:1 é mostrado abaixo.

Diagrama lógico para o multiplexador quádruplo 2:1 MC74ACT157DG da ON Semiconductor. Fonte: folha de dados do MC74ACT157DG.

Note que multiplexação e SerDes não são a mesma coisa. Um multiplexador pode ser implementado como um serializador ao ciclar pelos bits de controle no multiplexador em ordem à medida que o componente recebe dados paralelos. Além disso, a multiplexação é usada para SerDes intercalados por bits, onde múltiplos fluxos de bits de dados seriais lentos são comprimidos em um fluxo de bits de alta velocidade. Fora isso, as duas técnicas não são as mesmas. Existem outras aplicações onde a multiplexação é usada, pois elimina a necessidade de um ou mais switches mecânicos/eletromecânicos.

Aplicações de Multiplexadores e Switches

Em resumo, algumas aplicações funcionarão bem com qualquer tipo de componente. Aplicações analógicas de alta frequência devem focar mais na largura de banda e na resistência em estado ligado do que em outras métricas. Além disso, qualquer aplicação que requeira a seleção entre múltiplos fluxos de dados ou a compressão de dados em um único fluxo de bits pode fazer uso de multiplexadores ou chaves. Algumas aplicações de multiplexadores e chaves incluem:

• Vídeo de alta velocidade e áudio de alta fidelidade

• Televisão a cabo/satélite

• Seleção de antena em arranjos em fase para formação de feixe e multiplexação espacial

Quando você precisar comparar um multiplexador potencial vs. um circuito integrado de chave, tente usar os recursos avançados de busca e filtragem no Octopart. Você terá acesso a um extenso motor de busca com dados de distribuidores e especificações de peças, tudo acessível em uma interface amigável. Dê uma olhada na nossa página de circuitos integrados para encontrar os componentes que você precisará para transmissão e gerenciamento de dados.

Mantenha-se atualizado com nossos últimos artigos ao inscrever-se em nossa newsletter.