深度剖析TMUX9616x：高性能高壓模擬開關(guān)的卓越之選

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)中，常常會(huì)遇到需要處理高壓信號(hào)的情況，這時(shí)，一款性能卓越的高壓模擬開關(guān)就顯得尤為重要。今天，我們就來(lái)深入剖析德州儀器（Texas Instruments）推出的TMUX9616x系列高壓模擬開關(guān)，看看它究竟有哪些獨(dú)特之處，能在眾多同類產(chǎn)品中脫穎而出。

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一、產(chǎn)品概述

TMUX9616x是一款具有抗閂鎖功能的16通道低電阻、低電容高壓模擬開關(guān)集成電路。每個(gè)器件擁有16個(gè)可獨(dú)立選擇的1:1單刀單擲（SPST）開關(guān)通道，能在高達(dá)±110V的雙電源下穩(wěn)定工作，還支持在推薦電源范圍內(nèi)進(jìn)行非對(duì)稱電源偏置。其源極（Sx）和漏極（Dx）引腳可支持從 (V{SS}) 到 (V{DD}) 的雙向模擬和數(shù)字信號(hào)，并且在這些引腳集成了泄放電阻，可用于對(duì)壓電換能器等電容性負(fù)載進(jìn)行放電。

二、關(guān)鍵特性

（一）寬輸入信號(hào)范圍

TMUX9616x能夠處理高達(dá)±110V（220VPP）的寬輸入信號(hào)范圍，這一特性在許多高壓發(fā)射系統(tǒng)中非常實(shí)用。很多高壓發(fā)射器的設(shè)計(jì)輸出電壓可達(dá)±100V，TMUX9616x提供的額外電壓裕量具有重要意義。一方面，當(dāng)VS接近VDD時(shí)，普通開關(guān)的導(dǎo)通電阻 (R{ON}) 會(huì)迅速增加，導(dǎo)致系統(tǒng)諧波失真性能下降。而TMUX9616x的高壓電源設(shè)置比脈沖發(fā)生器工作電壓高10V，能使VS保持在 (V{DD}-10) V以內(nèi)，讓開關(guān)處于平坦的 (R_{ON}) 工作區(qū)域，從而大大改善系統(tǒng)的諧波失真性能。另一方面，系統(tǒng)中的各種寄生效應(yīng)和傳輸線反射可能會(huì)導(dǎo)致TMUX9616x接收到的電壓暫時(shí)超過高壓發(fā)射器的最大輸出電壓±100V，而該開關(guān)高達(dá)±110V的電壓容限能確保系統(tǒng)在高壓發(fā)射器的最大電壓輸出能力下穩(wěn)定運(yùn)行。

（二）低電容與低電阻

它具有低關(guān)斷電容（5pF）和低導(dǎo)通電容（10pF）的特點(diǎn)，能夠有效減少信號(hào)的延遲和失真。同時(shí)，低導(dǎo)通電阻（ (R_{ONL}) 低至12Ω）可以降低信號(hào)傳輸過程中的損耗，提高信號(hào)的傳輸效率。這種低電容和低電阻的特性使得TMUX9616x在處理高速、高頻信號(hào)時(shí)表現(xiàn)出色，能夠滿足許多對(duì)信號(hào)質(zhì)量要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。

（三）快速開關(guān)速度

快速的導(dǎo)通時(shí)間（最大3μs）和出色的開關(guān)特性，使其能夠快速響應(yīng)信號(hào)的變化，適應(yīng)高速信號(hào)的切換需求。在一些對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用中，如醫(yī)療超聲成像和無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域，快速的開關(guān)速度可以確保信號(hào)的及時(shí)處理和準(zhǔn)確傳輸，從而提高系統(tǒng)的性能和精度。

（四）高數(shù)據(jù)時(shí)鐘頻率

高達(dá)72MHz的數(shù)據(jù)移位時(shí)鐘頻率，能夠支持高速數(shù)據(jù)的傳輸和處理。這使得TMUX9616x在一些需要高速數(shù)據(jù)交互的系統(tǒng)中具有很大的優(yōu)勢(shì)，例如在一些高速數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)中，可以快速地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和切換，提高系統(tǒng)的整體效率。

（五）良好的隔離性能

在5MHz時(shí)具有 -70dB的出色關(guān)斷隔離性能，能夠有效減少通道之間的串?dāng)_和干擾，保證信號(hào)的純凈度。在多通道應(yīng)用中，良好的隔離性能可以避免不同通道之間的信號(hào)相互影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

（六）抗閂鎖設(shè)計(jì)

采用基于絕緣體上硅（SOI）的工藝制造，在每個(gè)CMOS開關(guān)的PMOS和NMOS晶體管之間添加了氧化層（絕緣溝槽），有效防止了寄生結(jié)構(gòu)的形成，避免了因過電壓、快速電壓擺率和電流注入等原因觸發(fā)閂鎖事件。這種抗閂鎖特性使得TMUX9616x能夠在惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定工作，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

（七）寬邏輯電平支持

邏輯電平范圍為1.8V至5V，能夠與多種不同邏輯電平的設(shè)備兼容，方便工程師進(jìn)行系統(tǒng)集成。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，不同的設(shè)備可能具有不同的邏輯電平，TMUX9616x的寬邏輯電平支持特性可以減少電平轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。

（八）擴(kuò)展溫度范圍

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。在一些對(duì)溫度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景中，如工業(yè)控制、汽車電子等領(lǐng)域，擴(kuò)展的溫度范圍可以確保TMUX9616x在不同的溫度條件下都能正常工作，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

三、引腳配置與功能

TMUX9616x采用48引腳的LQFP封裝，不同引腳具有不同的功能，以下是一些關(guān)鍵引腳的介紹：

（一）電源引腳

• (V{DD}) ：正電源引腳，最高可達(dá)120V，為芯片提供正電源。為保證可靠運(yùn)行，建議在 (V{DD}) 與地之間連接一個(gè)0.1μF至10μF的去耦電容。
• (V{SS}) ：負(fù)電源引腳，最低可達(dá) -120V，為芯片提供負(fù)電源。同樣，在 (V{SS}) 與地之間也需要連接一個(gè)0.1μF至10μF的去耦電容。
• (V{LL}) ：1.8V - 5V的SPI電源，為數(shù)字邏輯部分提供電源。在 (V{LL}) 與地之間應(yīng)連接一個(gè)0.1μF至1μF的去耦電容。

（二）信號(hào)引腳

• (Sx) 和 (Dx) ：源極和漏極引腳，可作為輸入或輸出，支持雙向模擬和數(shù)字信號(hào)傳輸，信號(hào)范圍從 (V{SS}) 到 (V{DD}) 。
• (DIN) ：SPI（菊花鏈）數(shù)據(jù)輸入引腳，用于輸入16位寄存器的數(shù)據(jù)。
• (CLK) ：SPI（菊花鏈）時(shí)鐘輸入引腳，提供時(shí)鐘信號(hào)。
• (LE) ：鎖存使能輸入引腳，低電平有效。用于將移位寄存器中的狀態(tài)鎖存到模擬開關(guān)中，控制開關(guān)的狀態(tài)。
• (CLR) ：鎖存清除輸入引腳，高電平有效。當(dāng)該引腳為高電平時(shí)，所有開關(guān)將關(guān)閉，無(wú)論移位寄存器中的狀態(tài)如何。
• (DOUT) ：SPI（菊花鏈）數(shù)據(jù)輸出引腳，用于菊花鏈連接時(shí)的數(shù)據(jù)輸出。在菊花鏈模式下，DOUT連接到下一個(gè)TMUX9616x的DIN，實(shí)現(xiàn)多個(gè)芯片的級(jí)聯(lián)控制。
• (RGND) ：泄放電阻接地引腳，需連接到地。

（三）其他引腳

• (N.C.) ：無(wú)內(nèi)部連接引腳，可懸空或連接到地。
• (GND) ：接地引腳，作為參考地。

四、電氣與開關(guān)特性

（一）絕對(duì)最大額定值

在使用TMUX9616x時(shí)，需要注意其絕對(duì)最大額定值，如電源電壓（ (V{DD}-V{SS}) 最大240V）、各引腳電壓和電流等參數(shù)，超過這些額定值可能會(huì)導(dǎo)致芯片永久性損壞。例如， (V{DD}) 的范圍為 -0.5V至120V， (V{SS}) 的范圍為 -120V至0.5V， (V_{LL}) 的范圍為 -0.5V至6V等。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須確保各個(gè)引腳的電壓和電流在額定范圍內(nèi)，以保證芯片的安全和可靠運(yùn)行。

（二）ESD額定值

該芯片具有一定的靜電放電（ESD）保護(hù)能力，人體模型（HBM）為±1000V，帶電設(shè)備模型（CDM）為±500V。但在實(shí)際操作中，仍需采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施，以避免ESD對(duì)芯片造成損壞。例如，在焊接和組裝過程中，應(yīng)使用防靜電工具和設(shè)備，操作人員應(yīng)佩戴防靜電手環(huán)等。

（三）熱性能

給出了多種熱性能參數(shù)，如結(jié)到環(huán)境的熱阻 (R{θJA}) 為60.8°C/W，結(jié)到外殼（頂部）的熱阻 (R{θJC(top)}) 為15.4°C/W等。在設(shè)計(jì)散熱方案時(shí)，工程師可以根據(jù)這些參數(shù)來(lái)選擇合適的散熱措施，確保芯片在工作過程中不會(huì)過熱。例如，如果芯片工作時(shí)的功耗較大，可以考慮使用散熱器或風(fēng)扇等散熱設(shè)備，以降低芯片的結(jié)溫，提高芯片的可靠性和性能。

（四）推薦工作條件

推薦的工作條件包括電源電壓差（ (V{DD}-V{SS}) 為40V - 220V）、各引腳電壓范圍等。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量在推薦工作條件下使用芯片，以獲得最佳的性能和可靠性。例如， (V{LL}) 推薦范圍為1.7V - 5.5V，邏輯控制引腳電壓 (V{L}) 范圍為0V至 (V_{LL}) 等。如果超出推薦工作條件，可能會(huì)導(dǎo)致芯片的性能下降或壽命縮短。

（五）電氣特性

詳細(xì)列出了模擬開關(guān)、數(shù)字邏輯和電源等方面的電氣特性。例如，導(dǎo)通電阻 (R{ON}) 在不同測(cè)試條件下的典型值和最大值，開關(guān)的峰值輸出電流 (I{SWPK}) 等。這些參數(shù)對(duì)于評(píng)估芯片在實(shí)際應(yīng)用中的性能非常重要。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，選擇合適的芯片參數(shù)，以確保電路的性能滿足要求。例如，如果需要低導(dǎo)通電阻的開關(guān)，可以選擇在特定測(cè)試條件下 (R_{ON}) 較小的芯片。

（六）開關(guān)特性

包括導(dǎo)通時(shí)間 (t{ON}) 、關(guān)斷時(shí)間 (t{OFF}) 、最大模擬信號(hào)擺率 (dV/dt_{MAX}) 、關(guān)斷隔離和串?dāng)_等參數(shù)。這些特性決定了芯片在信號(hào)切換和隔離方面的性能。例如，快速的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間可以確保信號(hào)的及時(shí)切換，良好的關(guān)斷隔離和串?dāng)_性能可以保證信號(hào)的純凈度。在一些對(duì)信號(hào)切換速度和隔離性能要求較高的應(yīng)用中，如高速數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，需要選擇具有快速開關(guān)速度和良好隔離性能的芯片。

（七）數(shù)字時(shí)序

給出了SPI時(shí)鐘頻率、時(shí)鐘上升和下降時(shí)間、時(shí)鐘周期等數(shù)字時(shí)序參數(shù)。這些參數(shù)對(duì)于正確使用SPI接口控制芯片至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)SPI通信電路時(shí)，需要根據(jù)芯片的數(shù)字時(shí)序參數(shù)，設(shè)置合適的時(shí)鐘頻率和時(shí)序，以確保數(shù)據(jù)的正確傳輸和處理。例如，如果SPI時(shí)鐘頻率設(shè)置過高，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤；如果時(shí)鐘上升和下降時(shí)間過長(zhǎng)，可能會(huì)影響信號(hào)的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

五、應(yīng)用領(lǐng)域

（一）醫(yī)療超聲成像

在醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)中，需要對(duì)高壓信號(hào)進(jìn)行精確的切換和控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同探頭通道的選擇和信號(hào)傳輸。TMUX9616x的寬輸入信號(hào)范圍、低導(dǎo)通電阻和快速開關(guān)速度等特性，能夠滿足超聲成像系統(tǒng)對(duì)信號(hào)質(zhì)量和切換速度的要求。它可以幫助提高圖像的分辨率和清晰度，為醫(yī)生提供更準(zhǔn)確的診斷信息。例如，在超聲探頭的多路復(fù)用中，TMUX9616x可以快速、準(zhǔn)確地切換不同的通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置的超聲信號(hào)采集，從而生成清晰的超聲圖像。

（二）無(wú)損檢測(cè)（NDT）金屬探傷

無(wú)損檢測(cè)用于檢測(cè)金屬材料中的缺陷，通常需要使用高壓脈沖信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。TMUX9616x能夠承受高壓信號(hào)，并且具有良好的隔離性能，可有效減少通道之間的串?dāng)_，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。在金屬探傷過程中，TMUX9616x可以對(duì)不同的檢測(cè)通道進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料不同部位的檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的缺陷，保障工業(yè)生產(chǎn)的安全和質(zhì)量。

（三）壓電換能器驅(qū)動(dòng)

壓電換能器在許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，如超聲清洗、超聲焊接等。TMUX9616x集成的泄放電阻可以對(duì)壓電換能器的電容性負(fù)載進(jìn)行放電，其寬輸入信號(hào)范圍和快速開關(guān)速度能夠?yàn)閴弘姄Q能器提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，提高換能器的工作效率和性能。例如，在超聲清洗設(shè)備中，TMUX9616x可以控制壓電換能器產(chǎn)生高頻超聲波，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面的高效清洗。

（四）超聲流量變送器

超聲流量變送器通過測(cè)量超聲波在流體中的傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算流體的流量。TMUX9616x的高性能可以確保信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸和切換，提高流量測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。在工業(yè)生產(chǎn)和水利工程中，超聲流量變送器廣泛應(yīng)用于液體和氣體的流量測(cè)量，TMUX9616x的應(yīng)用可以為流量測(cè)量提供更可靠的技術(shù)支持。

（五）打印機(jī)和光學(xué)MEMS模塊

在打印機(jī)中，TMUX9616x可以用于控制打印頭的信號(hào)切換；在光學(xué)MEMS模塊中，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)信號(hào)的精確控制和切換。在打印機(jī)的打印過程中，TMUX9616x可以根據(jù)打印數(shù)據(jù)的要求，快速切換打印頭的不同通道，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的打印效果；在光學(xué)MEMS模塊中，它可以對(duì)光學(xué)信號(hào)進(jìn)行精確的路由和切換，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的多功能應(yīng)用。

六、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（一）典型應(yīng)用示例

以超聲應(yīng)用中的多路復(fù)用配置為例，使用兩個(gè)TX7516提供32個(gè)TX/RX通道，8個(gè)TMUX9616x將32個(gè)通道多路復(fù)用到128個(gè)壓電（PZT）元件，形成4:1的多路復(fù)用配置，由FPGA通過SPI控制。這種配置可以有效提高系統(tǒng)的通道數(shù)量和性能，滿足超聲成像等應(yīng)用對(duì)多通道信號(hào)處理的需求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求，調(diào)整多路復(fù)用的比例和通道數(shù)量，以實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。

（二）設(shè)計(jì)要求與參數(shù)

設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的參數(shù)包括正模擬電源（ (V{DD}) 為 +110V）、負(fù)模擬電源（ (V{SS}) 為 -110V）、邏輯電源（ (V_{LL}) 為5V）、脈沖發(fā)生器電源、模擬信號(hào)支持范圍、最大SPI速度、系統(tǒng)級(jí)諧波失真目標(biāo)要求等。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，必須根據(jù)這些參數(shù)來(lái)選擇合適的電源、信號(hào)源和控制芯片，以確保系統(tǒng)的性能滿足要求。例如，如果系統(tǒng)對(duì)SPI速度要求較高，需要選擇具有高速SPI接口的FPGA或其他控制器；如果系統(tǒng)對(duì)諧波失真要求較低，需要選擇具有低諧波失真特性的開關(guān)芯片。

（三）電源供應(yīng)建議

建議在 (V{DD}) 、 (V{SS}) 和 (V_{LL}) 引腳與地之間使用至少0.1μF的去耦電容，以減少電源噪聲對(duì)芯片的影響。TMUX9616x EVM在這些引腳使用了1μF與0.1μF并聯(lián)的電容。同時(shí)，電源之間沒有特定的上電順序要求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師可以根據(jù)芯片的功耗和電源噪聲情況，調(diào)整去耦電容的參數(shù)和布局，以提高電源的穩(wěn)定性和可靠性。

（四）布局要點(diǎn)

在PCB布局時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

1. 在 (V{DD}) 、 (V{SS}) 與地之間連接至少一個(gè)0.1μF的去耦電容，且盡量將低容值電容靠近引腳放置，確保電容的耐壓值滿足電源要求。這樣可以有效減少電源線上的高頻噪聲，提高芯片的抗干擾能力。
2. 盡量縮短輸入線的長(zhǎng)度，以減少信號(hào)的傳輸延遲和損耗。
3. 使用實(shí)心接地平面，有助于散熱和減少電磁干擾（EMI）。實(shí)心接地平面可以提供良好的接地路徑，減少信號(hào)的反射和干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
4. 避免敏感模擬走線與數(shù)字走線平行，盡量避免交叉，必要時(shí)垂直交叉。模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的干擾會(huì)影響系統(tǒng)的性能，通過合理的走線布局可以減少這種干擾。

七、總結(jié)

TMUX9616x憑借其寬輸入信號(hào)范圍、低電容低電阻、快速開關(guān)速度、良好的隔離性能、抗閂鎖設(shè)計(jì)等一系列優(yōu)秀特性，在高壓模擬開關(guān)領(lǐng)域具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。它能夠廣泛應(yīng)用于醫(yī)療超聲成像、無(wú)損檢測(cè)、壓電換能器驅(qū)動(dòng)等多個(gè)領(lǐng)域，為工程師提供了一個(gè)高性能的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇芯片的參數(shù)和工作條件，并注意電源供應(yīng)和PCB布局等方面的要點(diǎn)，以充分發(fā)揮TMUX9616x的性能優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出高質(zhì)量、高性能的電子系統(tǒng)。你在使用類似高壓模擬開關(guān)的過程中，遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和想法。