探索TMUX612x系列：高精度雙路SPST開關的卓越性能與應用

在電子工程師的日常設計工作中，選擇合適的開關器件至關重要。今天，我們就來深入了解一下德州儀器（TI）的TMUX6121、TMUX6122和TMUX6123這三款高精度雙路單刀單擲（SPST）開關。它們在工業自動化、測試設備等領域有著廣泛的應用，下面我們就從多個方面來剖析它們的特性和優勢。

文件下載：tmux6122.pdf

一、產品特性亮點

1. 寬電源范圍

TMUX612x系列支持多種電源模式，雙電源范圍為±5 V至±16.5 V，單電源范圍為10 V至16.5 V，甚至還能適應不對稱電源，如(V{DD}=12 V)和(V{SS}=-5 V)。這種寬電源范圍的設計，使得它們在不同的電源環境下都能穩定工作，大大提高了產品的適用性。

2. 低電容與低泄漏電流

低導通電容僅為4.2 pF，低輸入泄漏電流為0.5 pA，低電荷注入為0.51 pC。這些特性使得該系列開關在處理微弱信號時，能夠有效減少信號的失真和干擾，保證信號的準確性和穩定性。

3. 低導通電阻與快速開關時間

導通電阻低至120 Ω，開關導通時間僅為68 ns。低導通電阻可以降低信號傳輸過程中的損耗，而快速的開關時間則能夠滿足高速信號切換的需求，提高系統的響應速度。

4. 靜電放電（ESD）保護

所有引腳都具備±2 kV的人體模型（HBM）ESD保護，這增強了產品在實際應用中的可靠性，減少了因靜電放電而導致的器件損壞風險。

二、應用領域廣泛

TMUX612x系列憑借其出色的性能，在多個領域都有出色的表現：

• 工廠自動化與工業過程控制：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的低泄漏電流和低電荷注入特性，能夠確保信號的準確傳輸，提高系統的控制精度。
• 可編程邏輯控制器（PLC）：PLC作為工業自動化的核心設備，對輸入輸出信號的處理要求很高。TMUX612x的寬電源范圍和低導通電阻，能夠滿足PLC在不同電源環境下的工作需求，同時降低信號傳輸的損耗。
• ATE測試設備：在自動測試設備中，需要對多種信號進行快速切換和測量。TMUX612x的快速開關時間和低電容特性，能夠提高測試設備的響應速度和測量精度。

三、詳細技術解析

1. 工作原理與邏輯控制

TMUX6121、TMUX6122和TMUX6123都是基于互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的器件，每個通道都有獨立的單刀單擲開關。它們的開關狀態由對應的SELx引腳控制，SELx引腳通過內部6 MΩ的電阻弱下拉，確保在通電時開關處于確定的狀態。不同的是，TMUX6121的開關在數字控制輸入為邏輯1時導通，TMUX6122則相反，而TMUX6123的一個開關與TMUX6121邏輯相同，另一個開關邏輯反轉。

2. 關鍵參數測量

• 導通電阻（(R_{ON})）：導通電阻是衡量開關性能的重要參數之一，它表示開關導通時源極（Sx）和漏極（Dx）之間的電阻。測量時，通過測量電壓（V）和電流（(I{CH})），然后根據公式(R{ON}=V / I_{CH})計算得出。導通電阻會隨著輸入電壓和電源電壓的變化而變化。
• 關斷泄漏電流：包括源極關斷泄漏電流（(I{S(OFF)})）和漏極關斷泄漏電流（(I{D(OFF)})），分別表示開關關斷時源極和漏極的泄漏電流。這些泄漏電流會影響信號的準確性，因此越低越好。
• 導通泄漏電流（(I_{D(ON)})）：指開關導通時漏極的泄漏電流，測量時源極處于浮空狀態。

3. 開關特性

• 開關導通時間（(t_{ON})）：指SELx信號上升（常開開關）或下降（常閉開關）到50%最終值后，輸出上升到90%最終值所需的時間。
• 開關關斷時間（(t_{OFF})）：指SELx信號下降（常開開關）或上升（常閉開關）到50%初始值后，輸出下降到10%初始值所需的時間。
• 先斷后通延遲（(t_{BBM})）：這是TMUX6123的一個安全特性，在開關切換時，先斷開當前連接，再建立新的連接，避免了信號的短路和干擾。

四、應用案例分析 - 采樣保持電路

1. 設計要求

在設計一個高精度的2輸出采樣保持電路時，需要使用一個4通道SPST開關。該電路要能夠支持高達±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TMUX6121、TMUX6122或TMUX6123開關與電壓保持電容（(C{H})）配合實現采樣保持電路。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})）保持其之前的值，從而在放大器輸出端（VOUT）維持穩定的電壓。

由于TMUX612x系列開關具有出色的電荷注入性能（僅0.51 pC），能夠有效減少采樣誤差。同時，其超低的泄漏電流也能減少保持電容上的電壓下降，提高電路的穩定性。此外，還增加了第二個開關SW1與SW2并聯，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，提高電路的建立時間。

五、電源與布局建議

1. 電源建議

為了提高電源的抗噪聲能力，建議在(V{DD})和(V{SS})引腳與地之間連接一個0.1 μF至10 μF的去耦電容。在雙電源或不對稱電源應用中，應先對(V{SS})進行上電，再對(V{DD})進行上電，并確保在電源上電之前先建立好接地（GND）連接。

2. 布局指南

在PCB布局時，要將(V{DD})和(V{SS})引腳用0.1-μF的電容進行去耦，并將電容盡可能靠近引腳放置，同時要確保電容的耐壓值足夠。輸入線應盡量短，使用實心接地平面來幫助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，必要時應垂直交叉。

六、總結

TMUX612x系列開關以其寬電源范圍、低電容、低泄漏電流、低導通電阻和快速開關時間等特性，為電子工程師在設計高精度、高可靠性的電路時提供了一個優秀的選擇。無論是在工業自動化、測試設備還是其他領域，它們都能夠發揮出卓越的性能。在實際應用中，我們需要根據具體的設計要求，合理選擇電源和布局，以充分發揮TMUX612x系列開關的優勢。

作為電子工程師，你在使用類似開關器件時遇到過哪些問題呢？你認為TMUX612x系列開關在你的項目中會有怎樣的表現？歡迎在評論區分享你的經驗和看法。