TMUX7436F：工業(yè)應用中的高性能模擬多路復用器

在工業(yè)自動化和控制領域，對于能夠在復雜環(huán)境下穩(wěn)定工作的模擬多路復用器的需求日益增長。TI推出的TMUX7436F正是這樣一款滿足嚴苛工業(yè)環(huán)境要求的器件，下面我們就來詳細了解一下它。

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一、器件概述

TMUX7436F是一款具有閂鎖免疫功能的44V故障保護型2:1、2通道模擬多路復用器。它的供電方式非常靈活，支持±5 V至±22 V的雙電源、8 V至44 V的單電源，甚至像(V{DD}=15 V)、(V{SS}=-5 V)這樣的非對稱電源也能適用。其源引腳的過壓保護功能在通電和斷電條件下均能工作，這使得它在惡劣的工業(yè)環(huán)境中也能穩(wěn)定運行。

二、關鍵特性

2.1 扁平導通電阻

TMUX7436F采用特殊的開關架構，在大部分開關輸入操作區(qū)域內實現(xiàn)了超扁平的導通電阻（(R{ON})）。這種特性使得該器件在精密傳感器應用中表現(xiàn)出色，因為無論采樣信號如何變化，(R{ON})都能得到有效控制。而且，該架構無需電荷泵，避免了產(chǎn)生不必要的噪聲影響采樣精度。

2.2 多重保護特性

• 輸入電壓容限：任何源輸入引腳可承受的最大電壓為+60 V或 - 60 V，不受電源電壓的影響，能應對工業(yè)應用中的典型電壓故障情況。不過要注意，不同引腳之間的最大應力為85 V，比如源引腳與電源軌之間、源引腳與漏極引腳之間。
• 斷電保護：當電源移除（如電源浮空、接地或低于欠壓閾值）時，器件的源（Sx）引腳保持高阻抗狀態(tài)，源和漏極引腳的泄漏性能仍在規(guī)定范圍內。這一特性消除了對系統(tǒng)電源排序的控制需求，簡化了系統(tǒng)設計，同時防止輸入源引腳上的錯誤電壓影響系統(tǒng)其他部分。但需要注意的是，必須始終存在GND參考以確保正常運行，在斷電狀態(tài)下，源和漏極電壓可達±60 V。
• 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，保護器件免受潛在損壞。開關在任何邏輯信號狀態(tài)下都被指定為關斷狀態(tài)。在斷電條件下，邏輯輸入能承受高達+44 V的正向故障，但不提供負向過壓保護。此外，在正常操作中，邏輯控制引腳可與高于(V_{DD})的電壓接口，增加了系統(tǒng)設計的靈活性。
• 過壓保護和檢測：通過比較源引腳（Sx）與電源（(V{DD})和(V{SS})）的電壓來檢測過壓輸入。當信號超過電源電壓一個閾值電壓（(V{T})）時，開關自動關斷，源引腳變?yōu)楦咦杩梗瑑H有小泄漏電流通過。漏極引腳（Dx）的行為可通過控制漏極響應（DR）引腳來調整：DR引腳浮空或驅動高于(V{IH})時，漏極引腳在過壓故障時變?yōu)楦咦杩?；DR驅動低于(V_{IL})時，若通道處于過壓故障且被邏輯控制選中，漏極引腳通過40 kΩ電阻拉至超過的電源。
• 相鄰通道故障操作：當邏輯引腳設置為處于故障的通道時，過壓檢測觸發(fā)，開關打開，漏極引腳按上述過壓保護規(guī)則操作。此時，其他無故障的通道仍可正常工作。
• ESD保護：所有引腳支持高達±6 kV的人體模型（HBM）ESD保護水平，防止器件在制造過程中因ESD事件損壞。漏極引腳有內部ESD保護二極管連接到電源(V{DD})和(V{SS})，源引腳有專門的ESD保護，允許信號電壓達到±60 V，但超過此值可能損壞ESD保護電路。
• 閂鎖免疫：通過特殊的器件結構，TMUX7436F具有閂鎖免疫能力。閂鎖是指在電源引腳和地之間形成低阻抗路徑的情況，一旦觸發(fā)，即使觸發(fā)因素消失，低阻抗路徑仍會存在，可能導致系統(tǒng)故障或災難性損壞。而該器件采用基于絕緣體上硅（SOI）的工藝，在每個CMOS開關的PMOS和NMOS晶體管之間添加了氧化層，防止寄生結構形成，避免了閂鎖現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 過壓故障標志

TMUX7436F持續(xù)監(jiān)測源輸入引腳的電壓，通過一個低電平有效的通用故障標志（FF）指示是否發(fā)生過壓情況。FF引腳的電壓表明是否有任何源輸入引腳處于過壓狀態(tài)。而特定故障（SF）輸出引腳可用于解碼哪個輸入引腳正在經(jīng)歷過壓情況。FF和SF引腳均為開漏輸出，建議使用1 kΩ的外部上拉電阻，上拉電壓范圍為1.8 V至5.5 V。

2.4 雙向操作

該器件從源（Sx）到漏極（Dx）或從漏極（Dx）到源（Sx）的導通性能相同。不過，過壓保護僅在源（Sx）側實現(xiàn)，漏極電壓只能在(V{DD})和(V{SS})之間擺動，無過壓保護。其最平坦的導通電阻區(qū)域從(V{SS})延伸到大約比(V{DD})低3 V的范圍，當信號接近(V_{DD})的3 V范圍內時，導通電阻會指數(shù)級增加，可能影響信號傳輸。

2.5 1.8 V邏輯兼容輸入

TMUX7436F的所有邏輯控制輸入都支持1.8 V邏輯電平，這使得它能夠與具有較低邏輯I/O軌的處理器接口，無需外部轉換器，節(jié)省了空間和物料清單（BOM）成本。

2.6 邏輯引腳集成下拉電阻

器件的邏輯引腳具有內部弱下拉電阻至GND，確保邏輯引腳不會浮空。該下拉電阻值約為4 MΩ，在較高電壓下會鉗位到約1 μA，這一特性集成了多達四個外部組件，減小了系統(tǒng)尺寸和成本。

三、電氣特性

3.1 導通電阻

導通電阻（(R{ON})）隨輸入電壓和電源電壓變化。典型值為8.6 Ω，不同電源條件下，其在一定電壓范圍內的平坦度表現(xiàn)良好。例如，在雙電源和單電源的不同電壓組合下，(R{ON})在特定的源或漏極電壓范圍內變化較小，這對于保持信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性非常重要。

3.2 泄漏電流

包括關斷狀態(tài)下的源泄漏電流（(I{S(OFF)})）和漏極泄漏電流（(I{D(OFF)})），以及導通狀態(tài)下的源泄漏電流（(I{S(ON)})）和漏極泄漏電流（(I{D(ON)})）。在不同的電源電壓和溫度條件下，泄漏電流都能保持在較小的范圍內，確保了器件的低功耗和高可靠性。

3.3 開關特性

• 使能延遲時間：(t{ON(EN)})是EN信號超過50%閾值后，輸出上升到最終值的90%所需的時間；(t{OFF(EN)})是EN信號超過50%閾值后，輸出下降到初始值的10%所需的時間。不同溫度和測試條件下，這兩個時間有一定的范圍。
• 先斷后通延遲：TMUX7436F的開關具有先斷后通的安全特性，ON開關先斷開連接，然后OFF開關再建立連接，兩者之間的時間延遲稱為先斷后通延遲（(t_{BBM})）。
• 過渡時間：指選擇信號（SELx）上升或下降到50%過渡后，輸出上升到90%過渡或下降到10%過渡所需的時間（(t_{TRAN})）。
• 故障響應和恢復時間：故障響應時間（(t{RESPONSE})）測量源電壓超過電源電壓0.5 V到漏極電壓下降到最大輸出電壓的50%之間的延遲；故障恢復時間（(t{RECOVERY})）測量源電壓從過壓狀態(tài)下降到低于電源電壓加0.5 V到漏極電壓從0 V上升到最終輸出電壓的50%之間的延遲。此外，還有故障標志響應時間（(t{RESPONSE(FLAG)})）和故障標志恢復時間（(t{RECOVERY(FLAG)})）。

3.4 其他特性

• 電荷注入：邏輯引腳切換時，從邏輯輸入傳遞到信號路徑的毛刺脈沖的度量（(Q_{INJ})）。
• 關斷隔離：當信號施加到關斷通道的源引腳時，漏極引腳信號的比值。
• 串擾：包括通道內串擾（(X{TALK(INTRA)})）和通道間串擾（(X{TALK(INTER)})）。
• 帶寬：輸入施加到導通通道的源引腳，輸出在漏極引腳測量時，衰減小于3 dB的頻率范圍（(BW)）。
• 總諧波失真加噪聲：信號的總諧波失真（THD）是所有諧波分量功率之和與基頻功率的比值，加上噪聲后稱為THD + N。

四、應用場景

4.1 工業(yè)自動化和控制

在工廠自動化和控制領域，TMUX7436F可用于可編程邏輯控制器（PLC）的模擬輸入模塊。它能夠處理多個傳感器的輸入信號，同時保護下游組件免受高達±60 V的過壓事件影響。例如，在一個PLC系統(tǒng)中，需要監(jiān)測多個遠程傳感器的信號，TMUX7436F可以將這些傳感器的信號進行切換和選擇，傳遞給后續(xù)的處理電路。當出現(xiàn)錯誤接線、組件故障等情況導致過壓時，它能及時切斷故障通道，保護系統(tǒng)安全。

4.2 半導體和電池測試設備

在半導體和電池測試設備中，需要對不同的信號進行精確測量和切換。TMUX7436F的扁平導通電阻和低泄漏電流特性，能夠確保信號的準確傳輸和測量。同時，其過壓保護功能可以防止測試過程中可能出現(xiàn)的電壓異常對設備造成損壞。

4.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAQ）

DAQ系統(tǒng)通常需要采集多個模擬信號，TMUX7436F可以作為信號切換器，選擇不同的輸入信號進行采集。其靈活的供電方式和高可靠性，使其能夠適應不同的DAQ系統(tǒng)設計需求。

五、設計注意事項

5.1 電源供應

使用時要注意電源的穩(wěn)定性，建議在(V{DD})和(V{SS})引腳與地之間使用1 μF至10 μF的去耦電容，以提高電源的抗噪聲能力。同時，要確保在電源啟動前先建立好接地連接。

5.2 PCB布局

• 去耦電容應盡可能靠近(V{DD})和(V{SS})引腳放置，且電容的電壓額定值要滿足電源要求。如果系統(tǒng)噪聲較大，可以使用多個去耦電容，如0.1 μF和1 μF的電容，將最低值的電容靠近電源引腳放置。
• 輸入線要盡量短，以減少信號干擾。
• 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。
• 避免敏感的模擬走線與數(shù)字走線平行，盡量減少數(shù)字和模擬走線的交叉，必要時采用垂直交叉。

六、總結

TMUX7436F憑借其豐富的保護特性、出色的電氣性能和靈活的應用場景，成為工業(yè)應用中模擬多路復用器的理想選擇。在設計過程中，我們需要充分考慮其特性和設計注意事項，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望各位工程師在實際應用中能夠充分發(fā)揮TMUX7436F的優(yōu)勢，設計出更優(yōu)秀的工業(yè)控制系統(tǒng)。大家在使用過程中遇到過哪些問題或者有什么獨特的應用經(jīng)驗，歡迎在評論區(qū)分享交流。