對(duì)SPI控制選通的模擬開(kāi)關(guān)（具先開(kāi)后合功能）進(jìn)行外部接線(xiàn)實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用器功能

簡(jiǎn)介

開(kāi)關(guān)信號(hào)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(yīng)用有很多不同類(lèi)型，每種應(yīng)用有不同的開(kāi)關(guān)切換要求。因此，大量需要開(kāi)關(guān)切換的應(yīng)用有時(shí)可能難以找到合適的開(kāi)關(guān)來(lái)準(zhǔn)確滿(mǎn)足需要的功能。

本應(yīng)用筆記介紹 ADI 公司串行外設(shè)接口 (SPI) 控制開(kāi)關(guān)系列中的先開(kāi)后合式 (BBM) 切換特性。本文說(shuō)明了如何通過(guò)這種 BBM 開(kāi)關(guān)功能以及適當(dāng)?shù)耐獠拷泳€(xiàn)來(lái)為給定應(yīng)用構(gòu)造所需的多路復(fù)用器 (mux) 配置。本文還討論了開(kāi)關(guān)外部接線(xiàn)的性能考慮。

圖 1 展示了通過(guò)外部接線(xiàn)配置為 3:1 多路復(fù)用器和 5:1 多路復(fù)用器的 ADGS5414 示例。

圖 1.ADGS5414 通過(guò)外部接線(xiàn)配置為多路復(fù)用器

ADI 公司的 SPI 開(kāi)關(guān)具有一個(gè)帶錯(cuò)誤檢測(cè)功能的4線(xiàn)串行接口。圖 2 展示了其中一款 SPI 開(kāi)關(guān) ADGS5414 的功能框圖。構(gòu)成器件 SPI 部分的四個(gè)引腳如圖 2 所示。它們是串行時(shí)鐘輸入 (SCLK)、串行數(shù)據(jù)輸入 (SDI)、串行數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn) SPI 模式 0 和模式 3，意味著串行數(shù)據(jù)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(dá) 50 MHz 的 SCLK 頻率。SPI 器件的默認(rèn)工作模式為尋址模式，器件寄存器通過(guò)以為邊界的 16 位 SPI 命令訪(fǎng)問(wèn)。尋址模式命令包含一個(gè) R/位，后面跟隨一個(gè) 7 位地址，并以 8 位數(shù)據(jù)結(jié)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(kāi)關(guān)系列中，SPI 接口上的協(xié)議和通信錯(cuò)誤是可檢測(cè)的，即使在最?lèi)毫迎h(huán)境下也能確保通信穩(wěn)健可靠。SPI 接口上有三種可檢測(cè)的錯(cuò)誤：SCLK 計(jì)數(shù)錯(cuò)誤檢測(cè)、無(wú)效的讀取和寫(xiě)入地址錯(cuò)誤檢測(cè)以及循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC) 錯(cuò)誤檢測(cè)。每種錯(cuò)誤檢測(cè)特性都可以利用錯(cuò)誤配置寄存器中的相應(yīng)使能位來(lái)使能和禁止。此外，在錯(cuò)誤標(biāo)志寄存器中，每種錯(cuò)誤都對(duì)應(yīng)一個(gè)錯(cuò)誤標(biāo)志位。

菊花鏈模式是 SPI 開(kāi)關(guān)的另一個(gè)重要特性，即多個(gè)器件可以像鏈條一樣連接起來(lái)。在菊花鏈配置中，一個(gè)器件的 SDO 連接到鏈中下一個(gè)器件的SDI，如此類(lèi)推，如圖 3 中的兩個(gè) ADGS1212 器件所示。這種配置很有好處，因?yàn)樗С謨H通過(guò)四條數(shù)字線(xiàn)路來(lái)控制很多 SPI 開(kāi)關(guān)，進(jìn)而減少電路板占用面積并降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

圖 3.兩個(gè) ADGS1212 器件連接成菊花鏈配置

圖 4.尋址模式時(shí)序圖

先開(kāi)后合式 (BBM) 開(kāi)關(guān)

BBM 切換的定義是一個(gè)開(kāi)關(guān)先斷開(kāi)，然后另一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合。有保證的 BBM 切換是 ADI 公司所有 SPI 開(kāi)關(guān)的一項(xiàng)特性。此特性意味著，當(dāng)發(fā)出一個(gè) SPI 命令以閉合一個(gè)開(kāi)關(guān)并斷開(kāi)另一個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)，被指令斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)先斷開(kāi)，然后另一個(gè)開(kāi)關(guān)才會(huì)閉合。

圖 7 展示了通過(guò)外部接線(xiàn)配置為 4:1 多路復(fù)用器的 ADGS1412，以及發(fā)出一個(gè) SPI 幀以指令器件斷開(kāi)源 S1 并閉合源 S2 時(shí)發(fā)生的情況。

ADGS1412 初始配置為 S1 閉合，因此該輸入上的信號(hào)輸出至漏極 (D)。然后向器件發(fā)送 SPI 命令 0x0102 (這是一個(gè)針對(duì)開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)寄存器的命令)，以斷開(kāi) S1 并閉合 S2。按照BBM的定義，S1 先斷開(kāi)，然后 S2 才閉合。此功能確保 S1 和 S2 輸入端上的電路不會(huì)短路。 (原文描述錯(cuò)誤，需要訂正)

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

圖 5.S1 斷開(kāi)與 S2 閉合之間的 BBM 時(shí)序

當(dāng) S1 斷開(kāi)時(shí)，可以看到電壓逐漸消失。然后 S2 閉合，施加于 S2 的信號(hào)開(kāi)始出現(xiàn)在 D 端。SPI 控制開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)中引用的 BBM 時(shí)間是從第一個(gè)信號(hào)下降到其初始值的 80% 至 S2 達(dá)到其最大值的 80%。有關(guān)每款器件的 BBM 時(shí)序測(cè)試的更多信息，請(qǐng)參閱相應(yīng)的 SPI 控制開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)。

這種先開(kāi)后合特性使得 SPI 開(kāi)關(guān)可以被配置為應(yīng)用所需的任何多路復(fù)用器，這就為多路復(fù)用器配置的實(shí)現(xiàn)提供了極大的靈活性。在印刷電路板 (PCB) 上必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐獠拷泳€(xiàn)，將相關(guān)的源極或漏極引腳連接處。圖 6 展示了利用外部接線(xiàn)配置為多路復(fù)用器的另一個(gè)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(guò)外部接線(xiàn)配置為雙通道 SPDT

圖 7.SPI 命令期間先開(kāi)后合切換過(guò)程的時(shí)間線(xiàn)

性能考慮

當(dāng)開(kāi)關(guān)配置為多路復(fù)用器時(shí)，數(shù)據(jù)手冊(cè)中的規(guī)格特性會(huì)有變化。

將器件的多個(gè)漏極連接在一起時(shí)，連接點(diǎn)處的總電容會(huì)增大，因?yàn)槊總€(gè)漏極的電容都加在一起。這種增大意味著當(dāng)連接成多路復(fù)用器配置時(shí)，漏極電容 CD(Off) 和 CD(On) 會(huì)變大，進(jìn)而導(dǎo)致可以通過(guò)開(kāi)關(guān)傳播的信號(hào)帶寬減小，原因是開(kāi)關(guān)通道的電阻電容 (RC) 值變大。

另外，可以預(yù)計(jì)漏極相連時(shí)漏電流會(huì)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(yù)計(jì)相連通道之間的串?dāng)_性能會(huì)降低。這種降低是通過(guò) PCB 走線(xiàn)實(shí)現(xiàn)物理連接的結(jié)果。

這些不利之處并非意料之外的，任何多路復(fù)用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 開(kāi)關(guān)都存在這樣的權(quán)衡考慮。

ADI SPI 開(kāi)關(guān)系列

ADI 公司的 SPI 開(kāi)關(guān)系列包含類(lèi)型廣泛的串行控制開(kāi)關(guān)，它們針對(duì)不同應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。表 1 列出了該系列的通用型號(hào)、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(yīng)用筆記中討論的先開(kāi)后合式切換特性;因此，它們可以通過(guò)外部接線(xiàn)配置為多路復(fù)用器。

表 1.ADI SPI 開(kāi)關(guān)系列

結(jié)論

ADI 公司的 SPI 開(kāi)關(guān)提供一個(gè)4線(xiàn)串行接口，其具有穩(wěn)健的接口錯(cuò)誤檢測(cè)特性和菊花鏈模式。該系列中的每款 SPI 開(kāi)關(guān)都具有可靠的先開(kāi)后合式切換特性。通過(guò)此特性，用戶(hù)可以靈活地將開(kāi)關(guān)配置為最終應(yīng)用所需特定的多路復(fù)用器配置。需要考慮器件規(guī)格特性如何受外部接線(xiàn)的影響，但這些性能權(quán)衡與我們?cè)谄渌? CMOS 多路復(fù)用器中看到的權(quán)衡類(lèi)似。