探索TMUX821x系列：高電壓模擬開關的卓越之選

在電子設計領域，高電壓模擬開關的性能和穩定性至關重要。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）的TMUX821x系列，包括TMUX8211、TMUX8212和TMUX8213這三款高電壓、具有閂鎖免疫功能的模擬開關。

文件下載：tmux8213.pdf

一、產品特性：集眾多優勢于一身

1. 寬電源電壓范圍

TMUX821x系列支持多種電源模式，雙電源范圍為±10 V至±50 V，單電源范圍為10 V至100 V，還能實現非對稱雙電源操作。這種寬范圍的電源支持使得該系列開關在不同的電源環境下都能穩定工作，為設計帶來了極大的靈活性。

2. 出色的電氣性能

• 低導通電阻：導通電阻（$R_{ON}$）低至5 Ω，且導通電阻平坦度僅為0.05 Ω，這意味著在信號傳輸過程中能夠有效減少信號損耗，提高信號傳輸的準確性。
• 低串擾和低泄漏電流：串擾低至 -110 dB，輸入泄漏電流僅為10 pA，能夠有效避免信號之間的干擾，保證信號的純凈度。
• 高連續電流：可承受高達200 mA的連續電流，能夠滿足大多數高電流應用的需求。
• 低電容：電容僅為12 pF，有助于提高開關的響應速度和信號的快速切換。

3. 強大的保護功能

• 閂鎖免疫：通過特殊的設計，該系列開關具有閂鎖免疫功能，能夠防止在電源引腳和地之間形成低阻抗路徑，避免因過電流或過電壓觸發的閂鎖現象，提高系統的可靠性。
• 故障安全邏輯：故障安全邏輯電路允許在電源引腳之前施加邏輯控制引腳的電壓，保護設備免受潛在損壞。同時，邏輯輸入可承受高達48 V的電壓，方便與高電壓控制信號接口。
• ESD保護：所有引腳支持高達±2 kV的人體模型（HBM）靜電放電（ESD）保護，有效防止在制造過程中因靜電放電對設備造成損壞。

4. 邏輯兼容性和集成性

• 1.8 V邏輯兼容：支持1.8 V邏輯電平輸入，可直接與低邏輯I/O軌的處理器接口，無需外部轉換器，節省了空間和物料成本。
• 集成下拉電阻：邏輯引腳集成了內部弱下拉電阻，確保邏輯引腳不會浮空，減少了外部元件的使用，進一步簡化了設計。

5. 寬工作溫度范圍

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，保證設備在不同溫度條件下的穩定運行。

6. 行業標準封裝

提供行業標準的TSSOP和更小的WQFN封裝，滿足不同應用場景對尺寸的要求。

二、應用領域：廣泛覆蓋多個行業

1. 高電壓雙向開關

憑借其高電壓承受能力和雙向導通特性，TMUX821x系列可用于高電壓雙向信號的切換，如在高壓測試設備和電源管理系統中。

2. 模擬和數字信號切換

在模擬和數字信號的切換應用中，其低導通電阻、低串擾和低泄漏電流的特性能夠保證信號的準確傳輸，適用于數據采集系統、數字萬用表等設備。

3. 半導體和LCD測試設備

在半導體和LCD測試設備中，需要對不同的信號進行精確切換和測量，TMUX821x系列的高性能特性能夠滿足這些測試設備對信號切換和測量的要求。

4. 電池測試設備

在電池測試過程中，需要對不同的電池參數進行測量和切換，TMUX821x系列的高電壓承受能力和低泄漏電流特性能夠確保測試結果的準確性。

5. 工廠自動化和控制

在工廠自動化和控制領域，可編程邏輯控制器（PLC）和模擬輸入模塊需要對各種信號進行快速、準確的切換，TMUX821x系列能夠滿足這些應用對開關速度和可靠性的要求。

三、產品詳細解析

1. 功能框圖

TMUX821x系列采用四單刀單擲（SPST）配置，每個通道都可以獨立控制。通過SELx引腳的邏輯電平控制，可以實現對不同通道的開關操作。

2. 雙向操作

該系列開關具有雙向導通特性，信號可以從源極（Sx）流向漏極（Dx），也可以從漏極（Dx）流向源極（Sx），且兩個方向的信號路徑具有相似的特性，這為信號的傳輸提供了更大的靈活性。

3. 平坦的導通電阻

TMUX821x系列采用特殊的開關架構，在大多數開關輸入工作區域內實現了超平坦的導通電阻（$R{ON}$）響應。這種平坦的$R{ON}$特性使得該系列開關在精密傳感器應用中表現出色，因為無論采樣信號如何，$R{ON}$都能得到有效控制，且無需電荷泵，避免了不必要的噪聲對采樣精度的影響。不過，當信號接近$V{DD}$約5 V時，導通電阻會呈指數增加，可能會影響信號的傳輸。

4. 設備功能模式

• 正常模式：在正常模式下，信號可以在源極（Sx）和漏極（Dx）之間傳輸，但需要滿足一定的條件，如主電源電壓差（$V{DD}-V{SS}$）大于等于10 V，輸入信號在$V{DD}$和$V{SS}$之間，且邏輯控制引腳（SELx）已選擇相應的開關通道。
• 真值表：不同型號的TMUX821x系列產品具有不同的真值表，通過真值表可以確定SELx引腳的邏輯電平與通道開關狀態之間的關系。在使用時，未使用的SELx引腳應連接到地或邏輯高電平，以避免額外的電流消耗；未使用的信號路徑輸入（Sx或Dx）應連接到地，以獲得最佳性能。

四、應用案例：以PMU系統為例

在精密測量單元（PMU）系統中，需要能夠切換不同的電流范圍，以實現對設備的精確測試和保護。傳統的解決方案通常使用大型繼電器來實現電流范圍的切換，但這種方法存在尺寸大的問題。而TMUX821x系列高電壓開關可以有效解決這個問題。

1. 設計要求

• 多路復用器和運算放大器的正電源（$V{DD}$）為36 V，負電源（$V{SS}$）為 -36 V。
• 最大輸入或輸出信號的共模偏移范圍為 -36 V至36 V。
• 控制邏輯閾值與1.8 V兼容，最高可達48 V。
• 工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C。

2. 詳細設計過程

在這個應用中，TMUX8212與高電壓放大器和數模轉換器（DAC）配合使用。DAC生成任意電壓信號，輸入到放大器中，同時還會輸入一個額外的高電壓偏移，以實現所需的共模偏移。這個任意信號在經過限流電阻后到達被測設備（DUT）。

為了改變系統的電流范圍，在多路復用器的每個通道上串聯不同的限流電阻。例如，多路復用器的第一個通道使用10 kΩ電阻進行低電流鉗位，該范圍內PMU的最大輸出電流為5 mA。在測試開始時，PMU設置為低電流范圍，當DUT在該范圍內正常工作且無意外短路時，可切換到高電流范圍。此外，TMUX8212的剩余三個通道可以并聯使用，以增加設備的最大電流并降低導通電阻。

3. 應用曲線分析

從應用曲線可以看出，TMUX821x系列開關在信號電壓范圍內具有極低的泄漏電流和超平坦的導通電阻。極低的泄漏電流可以減少在最低電流范圍內測量時的潛在噪聲和偏移，而超平坦的導通電阻則可以確保在信號電壓范圍內電流鉗位的穩定性。此外，出色的串擾和關斷隔離性能使得TMUX821x系列在多通道切換應用中表現出色，不會因未選擇的通道影響所選通道的測量結果。

五、電源供應和布局建議

1. 電源供應建議

TMUX821x系列在寬電源范圍內都能正常工作，但為了提高電源噪聲免疫力，建議在$V{DD}$和$V{SS}$引腳與地之間使用1 μF至10 μF的電源去耦電容，并在靠近電源引腳處放置一個0.1 μF的電容，以提供最佳的電源去耦效果。同時，要確保在電源升壓之前建立好接地（GND）連接。

2. 布局建議

• 電容連接：在$V{DD}$和$V{SS}$與地之間連接至少一個0.1 μF至10 μF的去耦電容，推薦使用0.1 μF和1 μF的電容，并將最低值的電容盡可能靠近引腳放置，同時要確保電容的電壓額定值足以承受電源電壓。
• 輸入線長度：盡量縮短輸入線的長度，以減少信號干擾和損耗。
• 接地平面：使用實心接地平面，有助于散熱和減少電磁干擾（EMI）噪聲的拾取。避免敏感的模擬走線與數字走線平行，盡量避免數字和模擬走線交叉，必要時進行垂直交叉。

六、總結

TMUX821x系列高電壓模擬開關以其卓越的性能、強大的保護功能和廣泛的應用領域，為電子工程師在高電壓信號切換和控制方面提供了一個優秀的解決方案。無論是在測試設備、自動化控制還是其他高電壓應用場景中，TMUX821x系列都能展現出其獨特的優勢。在實際設計中，我們可以根據具體的應用需求，合理選擇電源供應和布局方式，充分發揮該系列開關的性能，實現高效、可靠的電子系統設計。

各位電子工程師們，你們在實際項目中是否使用過類似的高電壓模擬開關呢？在使用過程中遇到過哪些問題？歡迎在評論區分享你們的經驗和見解。