探索TMUX612x系列開關：高精度、高性能的工業應用之選

在電子工程師的日常設計中，選擇合適的開關器件對于實現系統的高性能和穩定性至關重要。今天，我們就來深入探討一下德州儀器（TI）的TMUX612x系列開關，包括TMUX6121、TMUX6122和TMUX6123，看看它們在工業應用中能為我們帶來哪些優勢。

文件下載：tmux6123.pdf

一、TMUX612x系列概述

TMUX612x系列是現代互補金屬 - 氧化物半導體（CMOS）器件，擁有兩個可獨立選擇的單刀單擲（SPST）開關。它們支持雙電源（±5 V至±16.5 V）、單電源（10 V至16.5 V）或不對稱電源，所有數字輸入均具有晶體管 - 晶體管邏輯（TTL）兼容閾值，確保了與TTL和CMOS邏輯的兼容性。

不同型號的控制邏輯差異

• TMUX6121：數字控制輸入為邏輯1時，開關導通。
• TMUX6122：需要邏輯0來導通開關。
• TMUX6123：一個開關的數字控制邏輯與TMUX6121相似，另一個開關的邏輯則相反。此外，TMUX6123具有先斷后通（Break - Before - Make）的開關特性，適用于交叉點開關應用。

二、TMUX612x的主要特性

1. 寬電源范圍

支持±5 V至±16.5 V的雙電源或10 V至16.5 V的單電源，這種寬電源范圍使得該系列開關在不同電源配置下都能穩定工作，為設計者提供了很大的靈活性。

2. 低功耗特性

• 低漏電流：輸入漏電流低至0.5 pA，極低的漏電流可以有效減少信號的損耗和干擾，提高系統的精度。
• 低電荷注入：電荷注入低至0.51 pC，這一特性對于高精度測量應用尤為重要，能夠減少采樣誤差。
• 低電源電流：僅為16 μA，適合用于便攜式應用，延長設備的電池續航時間。

3. 快速開關速度

開關開啟時間僅需68 ns，能夠快速響應控制信號，實現高速的信號切換。

4. 良好的ESD保護

人體模型（HBM）靜電放電（ESD）保護在所有引腳上達到±2 kV，增強了器件的抗干擾能力和可靠性。

5. 低導通電阻和電容

導通電阻低至120 Ω，導通電容僅為4.2 pF，能夠減少信號傳輸過程中的衰減和失真。

三、TMUX612x的應用領域

1. 工業自動化和過程控制

在工廠自動化和工業過程控制中，需要精確地切換信號以實現對各種設備的控制。TMUX612x的高精度和高可靠性使其能夠很好地滿足這些需求，例如在可編程邏輯控制器（PLC）和模擬輸入模塊中。

2. 測試測量設備

在自動測試設備（ATE）和數字萬用表中，對信號的精度和穩定性要求很高。TMUX612x的低漏電流和低電荷注入特性可以有效減少測量誤差，提高測試結果的準確性。

3. 電池監測系統

由于其低電源電流和寬電源范圍，TMUX612x適合用于電池監測系統，能夠在不消耗過多電量的情況下準確地采集電池的各種參數。

四、技術參數

1. 絕對最大額定值

了解器件的絕對最大額定值對于確保其安全工作至關重要。例如，VDD至VSS的最大電壓為36 V，環境溫度范圍為 - 55°C至140°C等。在設計過程中，必須確保器件的工作條件在這些額定值范圍內，否則可能會導致器件永久性損壞。

2. ESD和熱信息

• ESD保護：HBM ESD保護為±2000 V，帶電設備模型（CDM）ESD保護為±500 V，這表明器件具有較好的抗靜電能力。
• 熱性能：結到環境的熱阻為180.7 °C/W等，在設計散熱方案時需要考慮這些熱參數，以確保器件在正常工作溫度范圍內。

3. 電氣和開關特性

• 電氣特性：在雙電源（±15 V）和單電源（12 V）條件下，分別給出了導通電阻、漏電流等參數。例如，在雙電源±15 V、TA = 25°C時，導通電阻典型值為120 Ω，最大為135 Ω。
• 開關特性：包括開關開啟和關閉時間、先斷后通時間延遲等。如開關開啟時間在特定條件下為68 ns，這對于需要快速切換的應用非常關鍵。

五、應用實例：采樣保持電路

1. 設計要求

使用4通道SPST開關實現一個優化的2輸出采樣保持電路，該電路需要支持高達±15 V的高電壓輸出擺幅，同時最小化基座誤差和縮短建立時間。

2. 詳細設計過程

• 基本原理：TMUX612x系列開關與電壓保持電容（CH）配合使用。當開關SW2閉合時，對輸入電壓進行采樣，并將保持電容充電到輸入電壓值；當開關SW2斷開時，保持電容保持其先前的值，從而在放大器輸出（VOUT）處維持穩定的電壓。
• 誤差控制：TMUX612x的超低電荷注入（典型值僅為0.51 pC）和超低漏電流（25°C時典型值為0.5 pA，最大值為20 pA）特性，能夠有效減少采樣誤差和電壓下降。此外，增加第二個開關SW1與SW2并聯，以及補償網絡（由RC和CC組成），可以進一步減少基座誤差，降低保持時間的毛刺并改善電路的建立時間。

六、設計建議

1. 電源供應

為了提高電源噪聲免疫力，建議在VDD和VSS引腳與地之間使用0.1 μF至10 μF的去耦電容。在雙電源或不對稱電源應用中，應先對VSS進行升壓，再對VDD進行升壓，并確保在電源升壓之前建立好接地連接。

2. PCB布局

• 對VDD和VSS引腳使用0.1 - μF的電容進行去耦，并將其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VDD和VSS電源。
• 盡量縮短輸入線的長度，減少信號干擾。
• 使用實心接地平面，有助于散發熱量并降低電磁干擾（EMI）噪聲的拾取。
• 避免敏感的模擬走線與數字走線平行，如有必要，應盡量采用垂直交叉的方式。

七、總結

TMUX612x系列開關憑借其寬電源范圍、低功耗、快速開關速度、良好的ESD保護以及高精度等特性，成為了工業應用中高精度、高性能模擬多路復用器的理想選擇。在采樣保持電路等應用中，能夠充分發揮其優勢，為電子工程師提供可靠的信號切換解決方案。在實際設計過程中，我們需要根據具體的應用需求，合理配置電源、優化PCB布局，以確保器件的性能得到充分發揮。你在實際項目中是否使用過類似的開關器件？在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和想法。