簡介

開關(guān)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(yīng)用有很多不同類型，每種應(yīng)用有不同的開關(guān)切換要求。因此，大量需要開關(guān)切換的應(yīng)用有時可能難以找到合適的開關(guān)來準確滿足需要的功能。

本應(yīng)用筆記介紹 ADI 公司串行外設(shè)接口 (SPI) 控制開關(guān)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(guān)功能以及適當?shù)耐獠拷泳€來為給定應(yīng)用構(gòu)造所需的多路復用器 (mux) 配置。本文還討論了開關(guān)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(guān)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(guān) ADGS5414 的功能框圖。構(gòu)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(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)標準 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 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(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 控制開關(guān)系列中，SPI 接口上的協(xié)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(shù)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(yīng)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(yīng)一個錯誤標志位。

菊花鏈模式是 SPI 開關(guān)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(shù)字線路來控制很多 SPI 開關(guān)，進而減少電路板占用面積并降低設(shè)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(guān)

BBM 切換的定義是一個開關(guān)先斷開，然后另一個開關(guān)閉合。有保證的 BBM 切換是 ADI 公司所有 SPI 開關(guān)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(guān)并斷開另一個開關(guān)時，被指令斷開的開關(guān)先斷開，然后另一個開關(guān)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(guān)數(shù)據(jù)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(xiàn)在 D 端。SPI 控制開關(guān)數(shù)據(jù)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(guān)每款器件的 BBM 時序測試的更多信息，請參閱相應(yīng)的 SPI 控制開關(guān)數(shù)據(jù)手冊。

這種先開后合特性使得 SPI 開關(guān)可以被配置為應(yīng)用所需的任何多路復用器，這就為多路復用器配置的實現(xiàn)提供了極大的靈活性。在印刷電路板 (PCB) 上必須進行適當?shù)耐獠拷泳€，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(guān)配置為多路復用器時，數(shù)據(jù)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(guān)傳播的信號帶寬減小，原因是開關(guān)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(xiàn)物理連接的結(jié)果。

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

ADI SPI 開關(guān)系列

ADI 公司的 SPI 開關(guān)系列包含類型廣泛的串行控制開關(guān)，它們針對不同應(yīng)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(yīng)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(guān)系列

結(jié)論

ADI 公司的 SPI 開關(guān)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(guān)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(guān)配置為最終應(yīng)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(quán)衡與我們在其他 CMOS 多路復用器中看到的權(quán)衡類似。