探索TMUX612x系列開關：高精度與高性能的完美結合

在電子工程師的日常設計中，選擇合適的開關器件至關重要。今天，我們將深入探討德州儀器（TI）的TMUX6121、TMUX6122和TMUX6123這三款±16.5 - V、低電容、低泄漏電流的精密雙單刀單擲（SPST）開關，看看它們在實際應用中能為我們帶來哪些驚喜。

文件下載：tmux6121.pdf

一、器件概述

TMUX612x系列是現代互補金屬 - 氧化物半導體（CMOS）器件，具備兩個可獨立選擇的單刀單擲開關。它們支持雙電源（±5 V至±16.5 V）、單電源（10 V至16.5 V）或非對稱電源供電，所有數字輸入均具有與晶體管 - 晶體管邏輯（TTL）兼容的閾值，確保了與TTL和CMOS邏輯的兼容性。

三款器件的差異

• TMUX6121：數字控制輸入為邏輯1時，開關導通。
• TMUX6122：數字控制輸入為邏輯0時，開關導通。
• TMUX6123：一個開關的數字控制邏輯與TMUX6121類似，另一個開關邏輯相反，并且具有先斷后通（Break - Before - Make）的切換特性，適用于交叉點切換應用。

二、卓越特性

1. 寬電源范圍

該系列開關的電源范圍非常寬，雙電源模式下為±5 V至±16.5 V，單電源模式下為10 V至16.5 V，這使得它們在不同的電源環境下都能穩定工作，為設計提供了極大的靈活性。

2. 低電容和低泄漏電流

• 低導通電容：僅為4.2 pF，能夠有效減少信號的失真和干擾，提高信號傳輸的質量。
• 低輸入泄漏電流：僅0.5 pA，在高阻抗輸入的應用中，能夠最大程度地減少偏移誤差，確保測量的高精度。

3. 低電荷注入

電荷注入僅為0.51 pC，這一特性在采樣保持電路等對電荷注入敏感的應用中尤為重要，能夠顯著降低采樣誤差。

4. 快速開關時間

開關導通時間僅為68 ns，能夠快速響應控制信號，實現高速的信號切換。

5. 先斷后通切換（TMUX6123）

TMUX6123的先斷后通特性可以避免在切換過程中出現短路的情況，提高了系統的可靠性和穩定性。

6. 低導通電阻

導通電阻低至120 Ω，能夠減少信號在開關中的損耗，提高信號的傳輸效率。

7. 靜電放電（ESD）保護

人體模型（HBM）ESD保護達到±2 kV，能夠有效防止器件在生產、運輸和使用過程中受到靜電的損害，提高了器件的可靠性。

三、應用領域

TMUX612x系列開關憑借其卓越的性能，在多個領域都有廣泛的應用：

• 工廠自動化和工業過程控制：在工業自動化系統中，需要對各種模擬信號進行精確的切換和控制，TMUX612x的高精度和可靠性能夠滿足這一需求。
• 可編程邏輯控制器（PLC）：PLC需要處理大量的輸入輸出信號，TMUX612x的快速開關時間和低泄漏電流能夠確保信號的準確傳輸。
• 模擬輸入模塊：在模擬輸入模塊中，需要對不同的模擬信號進行選擇和切換，TMUX612x的低電容和低電荷注入特性能夠減少信號的失真。
• 自動測試設備（ATE）：ATE需要對被測器件進行高精度的測試，TMUX612x的高精度和穩定性能夠提高測試的準確性。
• 數字萬用表：數字萬用表需要對不同的電壓、電流等信號進行測量，TMUX612x的低泄漏電流和寬電源范圍能夠滿足測量的需求。
• 電池監測系統：在電池監測系統中，需要對電池的電壓、電流等參數進行實時監測，TMUX612x的低功耗和高精度能夠延長電池的使用壽命并提高監測的準確性。

四、參數詳解

1. 絕對最大額定值

了解器件的絕對最大額定值對于確保器件的安全使用至關重要。TMUX612x的絕對最大額定值包括電源電壓、輸入輸出電壓、電流、溫度等參數。例如，電源電壓 (V{DD}) 至 (V{SS}) 的最大值為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. 電氣特性

• 導通電阻：導通電阻 (R{ON}) 是開關的重要參數之一，它會隨著輸入電壓和電源電壓的變化而變化。在雙電源±15 V、(T{A}=25^{circ}C) 的條件下，當 (V{S}=0 V)、(I{S}=1 mA) 時，(R_{ON}) 典型值為120 Ω。
• 泄漏電流：包括源極關斷泄漏電流 (I{S(OFF)})、漏極關斷泄漏電流 (I{D(OFF)}) 和漏極導通泄漏電流 (I{D(ON)})。在不同的溫度和電壓條件下，泄漏電流的數值會有所不同。例如，在 (T{A}=-40^{circ}C) 至 + 85°C、開關關斷、(V{S}= + 10 V)、(V{D}=-10 V) 的條件下，(I_{S(OFF)}) 的典型值為 - 0.12 nA至0.05 nA。
• 開關時間：開關導通時間 (t{ON}) 和開關關斷時間 (t{OFF}) 也是重要的參數。在雙電源±15 V、(T{A}=25^{circ}C)、(V{S}= + 10 V)、(R{L}=300 Ω)、(C{L}=35 pF) 的條件下，(t{ON}) 典型值為68 ns，(t{OFF}) 典型值為57 ns。

3. 熱信息

熱信息包括結到殼（頂部）熱阻 (R{theta JC(top)})、結到板熱阻 (R{theta JB}) 等參數。這些參數對于評估器件的散熱性能和確定合適的散熱方案非常重要。例如，TMUX612x的 (R{theta JC(top)}) 為66.2 °C/W，(R{theta JB}) 為103.2 °C/W。

五、典型應用：采樣保持電路

采樣保持電路是TMUX612x的一個典型應用。在模擬 - 數字轉換器（ADC）中，采樣保持電路可以對變化的輸入電壓進行采樣，并在轉換過程中保持電壓的穩定，從而提高轉換的可靠性和穩定性。

1. 設計要求

設計一個優化的2輸出采樣保持電路，需要支持高達±15 V的高電壓輸出擺幅，同時要盡量減少基座誤差和縮短建立時間。

2. 詳細設計過程

使用TMUX612x開關與電壓保持電容 (C{H}) 配合實現采樣保持功能。當開關SW2閉合時，對輸入電壓進行采樣，并將保持電容 (C{H}) 充電到輸入電壓值；當開關SW2斷開時，保持電容 (C{H}) 保持其先前的值，從而在放大器輸出端（(V{OUT})）維持穩定的電壓。

由于TMUX612x具有出色的電荷注入性能（僅0.51 pC）和超低的泄漏電流（在25°C時，典型值為0.5 pA，最大值為20 pA），能夠有效減少采樣誤差和電壓下降。此外，還增加了第二個開關SW1與SW2并行工作，以減少開關切換時的基座誤差，并添加了由 (R{C}) 和 (C{C}) 組成的補償網絡，進一步降低基座誤差，減少保持時間的毛刺并改善電路的建立時間。

3. 應用曲線

TMUX612x的電荷注入與源輸入電壓的關系曲線可以直觀地展示其電荷注入性能，幫助工程師更好地評估其在采樣保持電路中的應用效果。

六、電源和布局建議

1. 電源建議

為了提高電源噪聲免疫力，建議在 (V{DD}) 和 (V{SS}) 引腳與地之間連接一個0.1 μF至10 μF的電源去耦電容。在雙電源或非對稱電源應用中，應先對 (V{SS}) 進行升壓，再對 (V{DD}) 進行升壓，并確保在電源升壓之前建立良好的接地連接。

2. 布局指南

• 去耦電容：將0.1 - μF的去耦電容盡可能靠近 (V{DD}) 和 (V{SS}) 引腳放置，并確保電容的額定電壓能夠滿足電源要求。
• 輸入線：盡量縮短輸入線的長度，以減少信號的干擾和損耗。
• 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。
• 走線安排：避免敏感的模擬走線與數字走線平行，盡量減少數字和模擬走線的交叉，必要時進行垂直交叉。

七、總結

TMUX6121、TMUX6122和TMUX6123這三款開關器件以其寬電源范圍、低電容、低泄漏電流、低電荷注入等卓越特性，為電子工程師在高精度、高電壓的模擬信號切換應用中提供了理想的解決方案。無論是在工業自動化、測試測量還是電池監測等領域，它們都能發揮出重要的作用。在實際設計過程中，我們需要根據具體的應用需求，合理選擇器件，并遵循電源和布局建議，以充分發揮其性能優勢。你在使用類似開關器件時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。