簡介

開關信號是電子系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是提供靈活性并讓系統(tǒng)可以支持更多通道。應用有很多不同類型，每種應用有不同的開關切換要求。因此，大量需要開關切換的應用有時可能難以找到合適的開關來準確滿足需要的功能。

本應用筆記介紹 ADI 公司串行外設接口 (SPI) 控制開關系列中的先開后合式 (BBM) 切換特性。本文說明了如何通過這種 BBM 開關功能以及適當的外部接線來為給定應用構造所需的多路復用器 (mux) 配置。本文還討論了開關外部接線的性能考慮。

圖 1 展示了通過外部接線配置為 3:1 多路復用器和 5:1 多路復用器的 ADGS5414 示例。

圖 1.ADGS5414 通過外部接線配置為多路復用器

ADI 公司的 SPI 開關具有一個帶錯誤檢測功能的4線串行接口。圖 2 展示了其中一款 SPI 開關 ADGS5414 的功能框圖。構成器件 SPI 部分的四個引腳如圖 2 所示。它們是串行時鐘輸入 (SCLK)、串行數據輸入 (SDI)、串行數據輸出 (SDO) 和片選()。

圖 2.ADGS5414 功能框圖

工作模式包括尋址模式、突發(fā)模式和菊花鏈模式。所有器件都提供有保證的 BBM 切換功能。這些器件兼容行業(yè)標準 SPI 模式 0 和模式 3，意味著串行數據在 SCLK 的上升沿讀入器件，并在 SCLK 的下降沿傳出。器件通信支持高達 50 MHz 的 SCLK 頻率。SPI 器件的默認工作模式為尋址模式，器件寄存器通過以為邊界的 16 位 SPI 命令訪問。尋址模式命令包含一個 R/位，后面跟隨一個 7 位地址，并以 8 位數據結束。圖 4 顯示了尋址模式下的 SPI 幀。

突發(fā)工作模式使用與尋址模式相同的 SPI 命令，但在突發(fā)模式下，在 SPI 命令之間保持低電平。

在新的 SPI 控制開關系列中，SPI 接口上的協議和通信錯誤是可檢測的，即使在最惡劣環(huán)境下也能確保通信穩(wěn)健可靠。SPI 接口上有三種可檢測的錯誤：SCLK 計數錯誤檢測、無效的讀取和寫入地址錯誤檢測以及循環(huán)冗余校驗 (CRC) 錯誤檢測。每種錯誤檢測特性都可以利用錯誤配置寄存器中的相應使能位來使能和禁止。此外，在錯誤標志寄存器中，每種錯誤都對應一個錯誤標志位。

菊花鏈模式是 SPI 開關的另一個重要特性，即多個器件可以像鏈條一樣連接起來。在菊花鏈配置中，一個器件的 SDO 連接到鏈中下一個器件的SDI，如此類推，如圖 3 中的兩個 ADGS1212 器件所示。這種配置很有好處，因為它支持僅通過四條數字線路來控制很多 SPI 開關，進而減少電路板占用面積并降低設計復雜性。

圖 3.兩個 ADGS1212 器件連接成菊花鏈配置

圖 4.尋址模式時序圖

先開后合式 (BBM) 開關

BBM 切換的定義是一個開關先斷開，然后另一個開關閉合。有保證的 BBM 切換是 ADI 公司所有 SPI 開關的一項特性。此特性意味著，當發(fā)出一個 SPI 命令以閉合一個開關并斷開另一個開關時，被指令斷開的開關先斷開，然后另一個開關才會閉合。

圖 7 展示了通過外部接線配置為 4:1 多路復用器的 ADGS1412，以及發(fā)出一個 SPI 幀以指令器件斷開源 S1 并閉合源 S2 時發(fā)生的情況。

ADGS1412 初始配置為 S1 閉合，因此該輸入上的信號輸出至漏極 (D)。然后向器件發(fā)送 SPI 命令 0x0102 (這是一個針對開關數據寄存器的命令)，以斷開 S1 并閉合 S2。按照BBM的定義，S1 先斷開，然后 S2 才閉合。此功能確保 S1 和 S2 輸入端上的電路不會短路。 (原文描述錯誤，需要訂正)

圖 5 展示了在這一系列事件中D端的信號，假定 S1 和 S2 處的電壓相等。

圖 5.S1 斷開與 S2 閉合之間的 BBM 時序

當 S1 斷開時，可以看到電壓逐漸消失。然后 S2 閉合，施加于 S2 的信號開始出現在 D 端。SPI 控制開關數據手冊中引用的 BBM 時間是從第一個信號下降到其初始值的 80% 至 S2 達到其最大值的 80%。有關每款器件的 BBM 時序測試的更多信息，請參閱相應的 SPI 控制開關數據手冊。

這種先開后合特性使得 SPI 開關可以被配置為應用所需的任何多路復用器，這就為多路復用器配置的實現提供了極大的靈活性。在印刷電路板 (PCB) 上必須進行適當的外部接線，將相關的源極或漏極引腳連接處。圖 6 展示了利用外部接線配置為多路復用器的另一個器件示例。本例中，ADGS1412 配置為單刀雙擲 (SPDT)×2 解決方案。

圖 6.ADGS1412 通過外部接線配置為雙通道 SPDT

圖 7.SPI 命令期間先開后合切換過程的時間線

性能考慮

當開關配置為多路復用器時，數據手冊中的規(guī)格特性會有變化。

將器件的多個漏極連接在一起時，連接點處的總電容會增大，因為每個漏極的電容都加在一起。這種增大意味著當連接成多路復用器配置時，漏極電容 CD(Off) 和 CD(On) 會變大，進而導致可以通過開關傳播的信號帶寬減小，原因是開關通道的電阻電容 (RC) 值變大。

另外，可以預計漏極相連時漏電流會增加。這種漏電流是由于相連漏極引腳之間的漏電流相加所致。

最后，可以預計相連通道之間的串擾性能會降低。這種降低是通過 PCB 走線實現物理連接的結果。

這些不利之處并非意料之外的，任何多路復用互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 開關都存在這樣的權衡考慮。

ADI SPI 開關系列

ADI 公司的 SPI 開關系列包含類型廣泛的串行控制開關，它們針對不同應用進行了優(yōu)化。表 1 列出了該系列的通用型號、配置以及器件性能如何優(yōu)化。表 1 中的所有器件均具有本應用筆記中討論的先開后合式切換特性;因此，它們可以通過外部接線配置為多路復用器。

表 1.ADI SPI 開關系列

結論

ADI 公司的 SPI 開關提供一個4線串行接口，其具有穩(wěn)健的接口錯誤檢測特性和菊花鏈模式。該系列中的每款 SPI 開關都具有可靠的先開后合式切換特性。通過此特性，用戶可以靈活地將開關配置為最終應用所需特定的多路復用器配置。需要考慮器件規(guī)格特性如何受外部接線的影響，但這些性能權衡與我們在其他 CMOS 多路復用器中看到的權衡類似。