深度剖析TMUX9616x：高性能高壓模擬開關的卓越之選

在電子工程師的日常設計中，常常會遇到需要處理高壓信號的情況，這時，一款性能卓越的高壓模擬開關就顯得尤為重要。今天，我們就來深入剖析德州儀器（Texas Instruments）推出的TMUX9616x系列高壓模擬開關，看看它究竟有哪些獨特之處，能在眾多同類產品中脫穎而出。

文件下載：tmux9616n.pdf

一、產品概述

TMUX9616x是一款具有抗閂鎖功能的16通道低電阻、低電容高壓模擬開關集成電路。每個器件擁有16個可獨立選擇的1:1單刀單擲（SPST）開關通道，能在高達±110V的雙電源下穩定工作，還支持在推薦電源范圍內進行非對稱電源偏置。其源極（Sx）和漏極（Dx）引腳可支持從 (V{SS}) 到 (V{DD}) 的雙向模擬和數字信號，并且在這些引腳集成了泄放電阻，可用于對壓電換能器等電容性負載進行放電。

二、關鍵特性

（一）寬輸入信號范圍

TMUX9616x能夠處理高達±110V（220VPP）的寬輸入信號范圍，這一特性在許多高壓發射系統中非常實用。很多高壓發射器的設計輸出電壓可達±100V，TMUX9616x提供的額外電壓裕量具有重要意義。一方面，當VS接近VDD時，普通開關的導通電阻 (R{ON}) 會迅速增加，導致系統諧波失真性能下降。而TMUX9616x的高壓電源設置比脈沖發生器工作電壓高10V，能使VS保持在 (V{DD}-10) V以內，讓開關處于平坦的 (R_{ON}) 工作區域，從而大大改善系統的諧波失真性能。另一方面，系統中的各種寄生效應和傳輸線反射可能會導致TMUX9616x接收到的電壓暫時超過高壓發射器的最大輸出電壓±100V，而該開關高達±110V的電壓容限能確保系統在高壓發射器的最大電壓輸出能力下穩定運行。

（二）低電容與低電阻

它具有低關斷電容（5pF）和低導通電容（10pF）的特點，能夠有效減少信號的延遲和失真。同時，低導通電阻（ (R_{ONL}) 低至12Ω）可以降低信號傳輸過程中的損耗，提高信號的傳輸效率。這種低電容和低電阻的特性使得TMUX9616x在處理高速、高頻信號時表現出色，能夠滿足許多對信號質量要求較高的應用場景。

（三）快速開關速度

快速的導通時間（最大3μs）和出色的開關特性，使其能夠快速響應信號的變化，適應高速信號的切換需求。在一些對實時性要求較高的應用中，如醫療超聲成像和無損檢測等領域，快速的開關速度可以確保信號的及時處理和準確傳輸，從而提高系統的性能和精度。

（四）高數據時鐘頻率

高達72MHz的數據移位時鐘頻率，能夠支持高速數據的傳輸和處理。這使得TMUX9616x在一些需要高速數據交互的系統中具有很大的優勢，例如在一些高速數據采集和處理系統中，可以快速地實現數據的傳輸和切換，提高系統的整體效率。

（五）良好的隔離性能

在5MHz時具有 -70dB的出色關斷隔離性能，能夠有效減少通道之間的串擾和干擾，保證信號的純凈度。在多通道應用中，良好的隔離性能可以避免不同通道之間的信號相互影響，提高系統的穩定性和可靠性。

（六）抗閂鎖設計

采用基于絕緣體上硅（SOI）的工藝制造，在每個CMOS開關的PMOS和NMOS晶體管之間添加了氧化層（絕緣溝槽），有效防止了寄生結構的形成，避免了因過電壓、快速電壓擺率和電流注入等原因觸發閂鎖事件。這種抗閂鎖特性使得TMUX9616x能夠在惡劣的環境中穩定工作，提高了系統的可靠性和穩定性。

（七）寬邏輯電平支持

邏輯電平范圍為1.8V至5V，能夠與多種不同邏輯電平的設備兼容，方便工程師進行系統集成。在實際設計中，不同的設備可能具有不同的邏輯電平，TMUX9616x的寬邏輯電平支持特性可以減少電平轉換電路的設計，降低系統的復雜度和成本。

（八）擴展溫度范圍

工作溫度范圍為 -40°C至125°C，能夠適應各種惡劣的工作環境。在一些對溫度要求較高的應用場景中，如工業控制、汽車電子等領域，擴展的溫度范圍可以確保TMUX9616x在不同的溫度條件下都能正常工作，提高了系統的可靠性和穩定性。

三、引腳配置與功能

TMUX9616x采用48引腳的LQFP封裝，不同引腳具有不同的功能，以下是一些關鍵引腳的介紹：

（一）電源引腳

• (V{DD}) ：正電源引腳，最高可達120V，為芯片提供正電源。為保證可靠運行，建議在 (V{DD}) 與地之間連接一個0.1μF至10μF的去耦電容。
• (V{SS}) ：負電源引腳，最低可達 -120V，為芯片提供負電源。同樣，在 (V{SS}) 與地之間也需要連接一個0.1μF至10μF的去耦電容。
• (V{LL}) ：1.8V - 5V的SPI電源，為數字邏輯部分提供電源。在 (V{LL}) 與地之間應連接一個0.1μF至1μF的去耦電容。

（二）信號引腳

• (Sx) 和 (Dx) ：源極和漏極引腳，可作為輸入或輸出，支持雙向模擬和數字信號傳輸，信號范圍從 (V{SS}) 到 (V{DD}) 。
• (DIN) ：SPI（菊花鏈）數據輸入引腳，用于輸入16位寄存器的數據。
• (CLK) ：SPI（菊花鏈）時鐘輸入引腳，提供時鐘信號。
• (LE) ：鎖存使能輸入引腳，低電平有效。用于將移位寄存器中的狀態鎖存到模擬開關中，控制開關的狀態。
• (CLR) ：鎖存清除輸入引腳，高電平有效。當該引腳為高電平時，所有開關將關閉，無論移位寄存器中的狀態如何。
• (DOUT) ：SPI（菊花鏈）數據輸出引腳，用于菊花鏈連接時的數據輸出。在菊花鏈模式下，DOUT連接到下一個TMUX9616x的DIN，實現多個芯片的級聯控制。
• (RGND) ：泄放電阻接地引腳，需連接到地。

（三）其他引腳

• (N.C.) ：無內部連接引腳，可懸空或連接到地。
• (GND) ：接地引腳，作為參考地。

四、電氣與開關特性

（一）絕對最大額定值

在使用TMUX9616x時，需要注意其絕對最大額定值，如電源電壓（ (V{DD}-V{SS}) 最大240V）、各引腳電壓和電流等參數，超過這些額定值可能會導致芯片永久性損壞。例如， (V{DD}) 的范圍為 -0.5V至120V， (V{SS}) 的范圍為 -120V至0.5V， (V_{LL}) 的范圍為 -0.5V至6V等。在設計電路時，必須確保各個引腳的電壓和電流在額定范圍內，以保證芯片的安全和可靠運行。

（二）ESD額定值

該芯片具有一定的靜電放電（ESD）保護能力，人體模型（HBM）為±1000V，帶電設備模型（CDM）為±500V。但在實際操作中，仍需采取適當的防靜電措施，以避免ESD對芯片造成損壞。例如，在焊接和組裝過程中，應使用防靜電工具和設備，操作人員應佩戴防靜電手環等。

（三）熱性能

給出了多種熱性能參數，如結到環境的熱阻 (R{θJA}) 為60.8°C/W，結到外殼（頂部）的熱阻 (R{θJC(top)}) 為15.4°C/W等。在設計散熱方案時，工程師可以根據這些參數來選擇合適的散熱措施，確保芯片在工作過程中不會過熱。例如，如果芯片工作時的功耗較大，可以考慮使用散熱器或風扇等散熱設備，以降低芯片的結溫，提高芯片的可靠性和性能。

（四）推薦工作條件

推薦的工作條件包括電源電壓差（ (V{DD}-V{SS}) 為40V - 220V）、各引腳電壓范圍等。在實際應用中，應盡量在推薦工作條件下使用芯片，以獲得最佳的性能和可靠性。例如， (V{LL}) 推薦范圍為1.7V - 5.5V，邏輯控制引腳電壓 (V{L}) 范圍為0V至 (V_{LL}) 等。如果超出推薦工作條件，可能會導致芯片的性能下降或壽命縮短。

（五）電氣特性

詳細列出了模擬開關、數字邏輯和電源等方面的電氣特性。例如，導通電阻 (R{ON}) 在不同測試條件下的典型值和最大值，開關的峰值輸出電流 (I{SWPK}) 等。這些參數對于評估芯片在實際應用中的性能非常重要。在設計電路時，工程師需要根據具體的應用需求，選擇合適的芯片參數，以確保電路的性能滿足要求。例如，如果需要低導通電阻的開關，可以選擇在特定測試條件下 (R_{ON}) 較小的芯片。

（六）開關特性

包括導通時間 (t{ON}) 、關斷時間 (t{OFF}) 、最大模擬信號擺率 (dV/dt_{MAX}) 、關斷隔離和串擾等參數。這些特性決定了芯片在信號切換和隔離方面的性能。例如，快速的導通和關斷時間可以確保信號的及時切換，良好的關斷隔離和串擾性能可以保證信號的純凈度。在一些對信號切換速度和隔離性能要求較高的應用中，如高速數據采集和處理系統，需要選擇具有快速開關速度和良好隔離性能的芯片。

（七）數字時序

給出了SPI時鐘頻率、時鐘上升和下降時間、時鐘周期等數字時序參數。這些參數對于正確使用SPI接口控制芯片至關重要。在設計SPI通信電路時，需要根據芯片的數字時序參數，設置合適的時鐘頻率和時序，以確保數據的正確傳輸和處理。例如，如果SPI時鐘頻率設置過高，可能會導致數據傳輸錯誤；如果時鐘上升和下降時間過長，可能會影響信號的質量和穩定性。

五、應用領域

（一）醫療超聲成像

在醫療超聲成像系統中，需要對高壓信號進行精確的切換和控制，以實現對不同探頭通道的選擇和信號傳輸。TMUX9616x的寬輸入信號范圍、低導通電阻和快速開關速度等特性，能夠滿足超聲成像系統對信號質量和切換速度的要求。它可以幫助提高圖像的分辨率和清晰度，為醫生提供更準確的診斷信息。例如，在超聲探頭的多路復用中，TMUX9616x可以快速、準確地切換不同的通道，實現對不同位置的超聲信號采集，從而生成清晰的超聲圖像。

（二）無損檢測（NDT）金屬探傷

無損檢測用于檢測金屬材料中的缺陷，通常需要使用高壓脈沖信號進行檢測。TMUX9616x能夠承受高壓信號，并且具有良好的隔離性能，可有效減少通道之間的串擾，提高檢測的準確性和可靠性。在金屬探傷過程中，TMUX9616x可以對不同的檢測通道進行切換，實現對金屬材料不同部位的檢測，及時發現潛在的缺陷，保障工業生產的安全和質量。

（三）壓電換能器驅動

壓電換能器在許多領域都有廣泛應用，如超聲清洗、超聲焊接等。TMUX9616x集成的泄放電阻可以對壓電換能器的電容性負載進行放電，其寬輸入信號范圍和快速開關速度能夠為壓電換能器提供穩定的驅動信號，提高換能器的工作效率和性能。例如，在超聲清洗設備中，TMUX9616x可以控制壓電換能器產生高頻超聲波，實現對物體表面的高效清洗。

（四）超聲流量變送器

超聲流量變送器通過測量超聲波在流體中的傳播時間來計算流體的流量。TMUX9616x的高性能可以確保信號的準確傳輸和切換，提高流量測量的精度和穩定性。在工業生產和水利工程中，超聲流量變送器廣泛應用于液體和氣體的流量測量，TMUX9616x的應用可以為流量測量提供更可靠的技術支持。

（五）打印機和光學MEMS模塊

在打印機中，TMUX9616x可以用于控制打印頭的信號切換；在光學MEMS模塊中，它可以實現對光學信號的精確控制和切換。在打印機的打印過程中，TMUX9616x可以根據打印數據的要求，快速切換打印頭的不同通道，實現高質量的打印效果；在光學MEMS模塊中，它可以對光學信號進行精確的路由和切換，實現光學系統的多功能應用。

六、應用與設計要點

（一）典型應用示例

以超聲應用中的多路復用配置為例，使用兩個TX7516提供32個TX/RX通道，8個TMUX9616x將32個通道多路復用到128個壓電（PZT）元件，形成4:1的多路復用配置，由FPGA通過SPI控制。這種配置可以有效提高系統的通道數量和性能，滿足超聲成像等應用對多通道信號處理的需求。在實際設計中，工程師可以根據具體的應用需求，調整多路復用的比例和通道數量，以實現最佳的系統性能。

（二）設計要求與參數

設計時需要考慮的參數包括正模擬電源（ (V{DD}) 為 +110V）、負模擬電源（ (V{SS}) 為 -110V）、邏輯電源（ (V_{LL}) 為5V）、脈沖發生器電源、模擬信號支持范圍、最大SPI速度、系統級諧波失真目標要求等。在設計電路時，必須根據這些參數來選擇合適的電源、信號源和控制芯片，以確保系統的性能滿足要求。例如，如果系統對SPI速度要求較高，需要選擇具有高速SPI接口的FPGA或其他控制器；如果系統對諧波失真要求較低，需要選擇具有低諧波失真特性的開關芯片。

（三）電源供應建議

建議在 (V{DD}) 、 (V{SS}) 和 (V_{LL}) 引腳與地之間使用至少0.1μF的去耦電容，以減少電源噪聲對芯片的影響。TMUX9616x EVM在這些引腳使用了1μF與0.1μF并聯的電容。同時，電源之間沒有特定的上電順序要求。在實際設計中，工程師可以根據芯片的功耗和電源噪聲情況，調整去耦電容的參數和布局，以提高電源的穩定性和可靠性。

（四）布局要點

在PCB布局時，需要注意以下幾點：

1. 在 (V{DD}) 、 (V{SS}) 與地之間連接至少一個0.1μF的去耦電容，且盡量將低容值電容靠近引腳放置，確保電容的耐壓值滿足電源要求。這樣可以有效減少電源線上的高頻噪聲，提高芯片的抗干擾能力。
2. 盡量縮短輸入線的長度，以減少信號的傳輸延遲和損耗。
3. 使用實心接地平面，有助于散熱和減少電磁干擾（EMI）。實心接地平面可以提供良好的接地路徑，減少信號的反射和干擾，提高系統的穩定性和可靠性。
4. 避免敏感模擬走線與數字走線平行，盡量避免交叉，必要時垂直交叉。模擬信號和數字信號的干擾會影響系統的性能，通過合理的走線布局可以減少這種干擾。

七、總結

TMUX9616x憑借其寬輸入信號范圍、低電容低電阻、快速開關速度、良好的隔離性能、抗閂鎖設計等一系列優秀特性，在高壓模擬開關領域具有很強的競爭力。它能夠廣泛應用于醫療超聲成像、無損檢測、壓電換能器驅動等多個領域，為工程師提供了一個高性能的解決方案。在實際設計中，工程師需要根據具體的應用需求，合理選擇芯片的參數和工作條件，并注意電源供應和PCB布局等方面的要點，以充分發揮TMUX9616x的性能優勢，設計出高質量、高性能的電子系統。你在使用類似高壓模擬開關的過程中，遇到過哪些挑戰呢？歡迎在評論區分享你的經驗和想法。