探索TMUX821x系列：高電壓模擬開(kāi)關(guān)的卓越之選

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，高電壓模擬開(kāi)關(guān)的性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。今天，我們就來(lái)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(kāi)關(guān)。

文件下載：tmux8213.pdf

一、產(chǎn)品特性：集眾多優(yōu)勢(shì)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(shí)現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)雙電源操作。這種寬范圍的電源支持使得該系列開(kāi)關(guān)在不同的電源環(huán)境下都能穩(wěn)定工作，為設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的靈活性。

2. 出色的電氣性能

• 低導(dǎo)通電阻：導(dǎo)通電阻（$R_{ON}$）低至5 Ω，且導(dǎo)通電阻平坦度僅為0.05 Ω，這意味著在信號(hào)傳輸過(guò)程中能夠有效減少信號(hào)損耗，提高信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。
• 低串?dāng)_和低泄漏電流：串?dāng)_低至 -110 dB，輸入泄漏電流僅為10 pA，能夠有效避免信號(hào)之間的干擾，保證信號(hào)的純凈度。
• 高連續(xù)電流：可承受高達(dá)200 mA的連續(xù)電流，能夠滿足大多數(shù)高電流應(yīng)用的需求。
• 低電容：電容僅為12 pF，有助于提高開(kāi)關(guān)的響應(yīng)速度和信號(hào)的快速切換。

3. 強(qiáng)大的保護(hù)功能

• 閂鎖免疫：通過(guò)特殊的設(shè)計(jì)，該系列開(kāi)關(guān)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(guò)電流或過(guò)電壓觸發(fā)的閂鎖現(xiàn)象，提高系統(tǒng)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(hù)設(shè)備免受潛在損壞。同時(shí)，邏輯輸入可承受高達(dá)48 V的電壓，方便與高電壓控制信號(hào)接口。
• ESD保護(hù)：所有引腳支持高達(dá)±2 kV的人體模型（HBM）靜電放電（ESD）保護(hù)，有效防止在制造過(guò)程中因靜電放電對(duì)設(shè)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(wú)需外部轉(zhuǎn)換器，節(jié)省了空間和物料成本。
• 集成下拉電阻：邏輯引腳集成了內(nèi)部弱下拉電阻，確保邏輯引腳不會(huì)浮空，減少了外部元件的使用，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。

5. 寬工作溫度范圍

工作溫度范圍為 -40°C至125°C，能夠適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境，保證設(shè)備在不同溫度條件下的穩(wěn)定運(yùn)行。

6. 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)封裝

提供行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的TSSOP和更小的WQFN封裝，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)尺寸的要求。

二、應(yīng)用領(lǐng)域：廣泛覆蓋多個(gè)行業(yè)

1. 高電壓雙向開(kāi)關(guān)

憑借其高電壓承受能力和雙向?qū)ㄌ匦?，TMUX821x系列可用于高電壓雙向信號(hào)的切換，如在高壓測(cè)試設(shè)備和電源管理系統(tǒng)中。

2. 模擬和數(shù)字信號(hào)切換

在模擬和數(shù)字信號(hào)的切換應(yīng)用中，其低導(dǎo)通電阻、低串?dāng)_和低泄漏電流的特性能夠保證信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸，適用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)字萬(wàn)用表等設(shè)備。

3. 半導(dǎo)體和LCD測(cè)試設(shè)備

在半導(dǎo)體和LCD測(cè)試設(shè)備中，需要對(duì)不同的信號(hào)進(jìn)行精確切換和測(cè)量，TMUX821x系列的高性能特性能夠滿足這些測(cè)試設(shè)備對(duì)信號(hào)切換和測(cè)量的要求。

4. 電池測(cè)試設(shè)備

在電池測(cè)試過(guò)程中，需要對(duì)不同的電池參數(shù)進(jìn)行測(cè)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(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5. 工廠自動(dòng)化和控制

在工廠自動(dòng)化和控制領(lǐng)域，可編程邏輯控制器（PLC）和模擬輸入模塊需要對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的切換，TMUX821x系列能夠滿足這些應(yīng)用對(duì)開(kāi)關(guān)速度和可靠性的要求。

三、產(chǎn)品詳細(xì)解析

1. 功能框圖

TMUX821x系列采用四單刀單擲（SPST）配置，每個(gè)通道都可以獨(dú)立控制。通過(guò)SELx引腳的邏輯電平控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同通道的開(kāi)關(guān)操作。

2. 雙向操作

該系列開(kāi)關(guān)具有雙向?qū)ㄌ匦?，信?hào)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(gè)方向的信號(hào)路徑具有相似的特性，這為信號(hào)的傳輸提供了更大的靈活性。

3. 平坦的導(dǎo)通電阻

TMUX821x系列采用特殊的開(kāi)關(guān)架構(gòu)，在大多數(shù)開(kāi)關(guān)輸入工作區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超平坦的導(dǎo)通電阻（$R{ON}$）響應(yīng)。這種平坦的$R{ON}$特性使得該系列開(kāi)關(guān)在精密傳感器應(yīng)用中表現(xiàn)出色，因?yàn)闊o(wú)論采樣信號(hào)如何，$R{ON}$都能得到有效控制，且無(wú)需電荷泵，避免了不必要的噪聲對(duì)采樣精度的影響。不過(guò)，當(dāng)信號(hào)接近$V{DD}$約5 V時(shí)，導(dǎo)通電阻會(huì)呈指數(shù)增加，可能會(huì)影響信號(hào)的傳輸。

4. 設(shè)備功能模式

• 正常模式：在正常模式下，信號(hào)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(hào)在$V{DD}$和$V{SS}$之間，且邏輯控制引腳（SELx）已選擇相應(yīng)的開(kāi)關(guān)通道。
• 真值表：不同型號(hào)的TMUX821x系列產(chǎn)品具有不同的真值表，通過(guò)真值表可以確定SELx引腳的邏輯電平與通道開(kāi)關(guān)狀態(tài)之間的關(guān)系。在使用時(shí)，未使用的SELx引腳應(yīng)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(hào)路徑輸入（Sx或Dx）應(yīng)連接到地，以獲得最佳性能。

四、應(yīng)用案例：以PMU系統(tǒng)為例

在精密測(cè)量單元（PMU）系統(tǒng)中，需要能夠切換不同的電流范圍，以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的精確測(cè)試和保護(hù)。傳統(tǒng)的解決方案通常使用大型繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)電流范圍的切換，但這種方法存在尺寸大的問(wèn)題。而TMUX821x系列高電壓開(kāi)關(guān)可以有效解決這個(gè)問(wèn)題。

1. 設(shè)計(jì)要求

• 多路復(fù)用器和運(yùn)算放大器的正電源（$V{DD}$）為36 V，負(fù)電源（$V{SS}$）為 -36 V。
• 最大輸入或輸出信號(hào)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(dá)48 V。
• 工作溫度范圍為 -40°C至 +125°C。

2. 詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程

在這個(gè)應(yīng)用中，TMUX8212與高電壓放大器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）配合使用。DAC生成任意電壓信號(hào)，輸入到放大器中，同時(shí)還會(huì)輸入一個(gè)額外的高電壓偏移，以實(shí)現(xiàn)所需的共模偏移。這個(gè)任意信號(hào)在經(jīng)過(guò)限流電阻后到達(dá)被測(cè)設(shè)備（DUT）。

為了改變系統(tǒng)的電流范圍，在多路復(fù)用器的每個(gè)通道上串聯(lián)不同的限流電阻。例如，多路復(fù)用器的第一個(gè)通道使用10 kΩ電阻進(jìn)行低電流鉗位，該范圍內(nèi)PMU的最大輸出電流為5 mA。在測(cè)試開(kāi)始時(shí)，PMU設(shè)置為低電流范圍，當(dāng)DUT在該范圍內(nèi)正常工作且無(wú)意外短路時(shí)，可切換到高電流范圍。此外，TMUX8212的剩余三個(gè)通道可以并聯(lián)使用，以增加設(shè)備的最大電流并降低導(dǎo)通電阻。

3. 應(yīng)用曲線分析

從應(yīng)用曲線可以看出，TMUX821x系列開(kāi)關(guān)在信號(hào)電壓范圍內(nèi)具有極低的泄漏電流和超平坦的導(dǎo)通電阻。極低的泄漏電流可以減少在最低電流范圍內(nèi)測(cè)量時(shí)的潛在噪聲和偏移，而超平坦的導(dǎo)通電阻則可以確保在信號(hào)電壓范圍內(nèi)電流鉗位的穩(wěn)定性。此外，出色的串?dāng)_和關(guān)斷隔離性能使得TMUX821x系列在多通道切換應(yīng)用中表現(xiàn)出色，不會(huì)因未選擇的通道影響所選通道的測(cè)量結(jié)果。

五、電源供應(yīng)和布局建議

1. 電源供應(yīng)建議

TMUX821x系列在寬電源范圍內(nèi)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(gè)0.1 μF的電容，以提供最佳的電源去耦效果。同時(shí)，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(gè)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(shí)要確保電容的電壓額定值足以承受電源電壓。
• 輸入線長(zhǎng)度：盡量縮短輸入線的長(zhǎng)度，以減少信號(hào)干擾和損耗。
• 接地平面：使用實(shí)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(shù)字走線平行，盡量避免數(shù)字和模擬走線交叉，必要時(shí)進(jìn)行垂直交叉。

六、總結(jié)

TMUX821x系列高電壓模擬開(kāi)關(guān)以其卓越的性能、強(qiáng)大的保護(hù)功能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，為電子工程師在高電壓信號(hào)切換和控制方面提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。無(wú)論是在測(cè)試設(shè)備、自動(dòng)化控制還是其他高電壓應(yīng)用場(chǎng)景中，TMUX821x系列都能展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇電源供應(yīng)和布局方式，充分發(fā)揮該系列開(kāi)關(guān)的性能，實(shí)現(xiàn)高效、可靠的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

各位電子工程師們，你們?cè)趯?shí)際項(xiàng)目中是否使用過(guò)類(lèi)似的高電壓模擬開(kāi)關(guān)呢？在使用過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你們的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。