探索TMUX821x系列：高电压模拟开关的卓越之选

在电子设计领域，高电压模拟开关的性能和稳定性至关重要。今天，我们就来深入了解一下德州仪器（TI）的TMUX821x系列，包括TMUX8211、TMUX8212和TMUX8213这三款高电压、具有闩锁免疫功能的模拟开关。

文件下载：tmux8213.pdf

一、产品特性：集众多优势于一身

1. 宽电源电压范围

TMUX821x系列支持多种电源模式，双电源范围为±10 V至±50 V，单电源范围为10 V至100 V，还能实现非对称双电源操作。这种宽范围的电源支持使得该系列开关在不同的电源环境下都能稳定工作，为设计带来了极大的灵活性。

2. 出色的电气性能

• 低导通电阻：导通电阻（$R_{ON}$）低至5 Ω，且导通电阻平坦度仅为0.05 Ω，这意味着在信号传输过程中能够有效减少信号损耗，提高信号传输的准确性。
• 低串扰和低泄漏电流：串扰低至 -110 dB，输入泄漏电流仅为10 pA，能够有效避免信号之间的干扰，保证信号的纯净度。
• 高连续电流：可承受高达200 mA的连续电流，能够满足大多数高电流应用的需求。
• 低电容：电容仅为12 pF，有助于提高开关的响应速度和信号的快速切换。

3. 强大的保护功能

• 闩锁免疫：通过特殊的设计，该系列开关具有闩锁免疫功能，能够防止在电源引脚和地之间形成低阻抗路径，避免因过电流或过电压触发的闩锁现象，提高系统的可靠性。
• 故障安全逻辑：故障安全逻辑电路允许在电源引脚之前施加逻辑控制引脚的电压，保护设备免受潜在损坏。同时，逻辑输入可承受高达48 V的电压，方便与高电压控制信号接口。
• ESD保护：所有引脚支持高达±2 kV的人体模型（HBM）静电放电（ESD）保护，有效防止在制造过程中因静电放电对设备造成损坏。

4. 逻辑兼容性和集成性

• 1.8 V逻辑兼容：支持1.8 V逻辑电平输入，可直接与低逻辑I/O轨的处理器接口，无需外部转换器，节省了空间和物料成本。
• 集成下拉电阻：逻辑引脚集成了内部弱下拉电阻，确保逻辑引脚不会浮空，减少了外部元件的使用，进一步简化了设计。

5. 宽工作温度范围

工作温度范围为 -40°C至125°C，能够适应各种恶劣的工作环境，保证设备在不同温度条件下的稳定运行。

6. 行业标准封装

提供行业标准的TSSOP和更小的WQFN封装，满足不同应用场景对尺寸的要求。

二、应用领域：广泛覆盖多个行业

1. 高电压双向开关

凭借其高电压承受能力和双向导通特性，TMUX821x系列可用于高电压双向信号的切换，如在高压测试设备和电源管理系统中。

2. 模拟和数字信号切换

在模拟和数字信号的切换应用中，其低导通电阻、低串扰和低泄漏电流的特性能够保证信号的准确传输，适用于数据采集系统、数字万用表等设备。

3. 半导体和LCD测试设备

在半导体和LCD测试设备中，需要对不同的信号进行精确切换和测量，TMUX821x系列的高性能特性能够满足这些测试设备对信号切换和测量的要求。

4. 电池测试设备

在电池测试过程中，需要对不同的电池参数进行测量和切换，TMUX821x系列的高电压承受能力和低泄漏电流特性能够确保测试结果的准确性。

5. 工厂自动化和控制

在工厂自动化和控制领域，可编程逻辑控制器（PLC）和模拟输入模块需要对各种信号进行快速、准确的切换，TMUX821x系列能够满足这些应用对开关速度和可靠性的要求。

三、产品详细解析

1. 功能框图

TMUX821x系列采用四单刀单掷（SPST）配置，每个通道都可以独立控制。通过SELx引脚的逻辑电平控制，可以实现对不同通道的开关操作。

2. 双向操作

该系列开关具有双向导通特性，信号可以从源极（Sx）流向漏极（Dx），也可以从漏极（Dx）流向源极（Sx），且两个方向的信号路径具有相似的特性，这为信号的传输提供了更大的灵活性。

3. 平坦的导通电阻

TMUX821x系列采用特殊的开关架构，在大多数开关输入工作区域内实现了超平坦的导通电阻（$R{ON}$）响应。这种平坦的$R{ON}$特性使得该系列开关在精密传感器应用中表现出色，因为无论采样信号如何，$R{ON}$都能得到有效控制，且无需电荷泵，避免了不必要的噪声对采样精度的影响。不过，当信号接近$V{DD}$约5 V时，导通电阻会呈指数增加，可能会影响信号的传输。

4. 设备功能模式

• 正常模式：在正常模式下，信号可以在源极（Sx）和漏极（Dx）之间传输，但需要满足一定的条件，如主电源电压差（$V{DD}-V{SS}$）大于等于10 V，输入信号在$V{DD}$和$V{SS}$之间，且逻辑控制引脚（SELx）已选择相应的开关通道。
• 真值表：不同型号的TMUX821x系列产品具有不同的真值表，通过真值表可以确定SELx引脚的逻辑电平与通道开关状态之间的关系。在使用时，未使用的SELx引脚应连接到地或逻辑高电平，以避免额外的电流消耗；未使用的信号路径输入（Sx或Dx）应连接到地，以获得最佳性能。

四、应用案例：以PMU系统为例

在精密测量单元（PMU）系统中，需要能够切换不同的电流范围，以实现对设备的精确测试和保护。传统的解决方案通常使用大型继电器来实现电流范围的切换，但这种方法存在尺寸大的问题。而TMUX821x系列高电压开关可以有效解决这个问题。

1. 设计要求

• 多路复用器和运算放大器的正电源（$V{DD}$）为36 V，负电源（$V{SS}$）为 -36 V。
• 最大输入或输出信号的共模偏移范围为 -36 V至36 V。
• 控制逻辑阈值与1.8 V兼容，最高可达48 V。
• 工作温度范围为 -40°C至 +125°C。

2. 详细设计过程

在这个应用中，TMUX8212与高电压放大器和数模转换器（DAC）配合使用。DAC生成任意电压信号，输入到放大器中，同时还会输入一个额外的高电压偏移，以实现所需的共模偏移。这个任意信号在经过限流电阻后到达被测设备（DUT）。

为了改变系统的电流范围，在多路复用器的每个通道上串联不同的限流电阻。例如，多路复用器的第一个通道使用10 kΩ电阻进行低电流钳位，该范围内PMU的最大输出电流为5 mA。在测试开始时，PMU设置为低电流范围，当DUT在该范围内正常工作且无意外短路时，可切换到高电流范围。此外，TMUX8212的剩余三个通道可以并联使用，以增加设备的最大电流并降低导通电阻。

3. 应用曲线分析

从应用曲线可以看出，TMUX821x系列开关在信号电压范围内具有极低的泄漏电流和超平坦的导通电阻。极低的泄漏电流可以减少在最低电流范围内测量时的潜在噪声和偏移，而超平坦的导通电阻则可以确保在信号电压范围内电流钳位的稳定性。此外，出色的串扰和关断隔离性能使得TMUX821x系列在多通道切换应用中表现出色，不会因未选择的通道影响所选通道的测量结果。

五、电源供应和布局建议

1. 电源供应建议

TMUX821x系列在宽电源范围内都能正常工作，但为了提高电源噪声免疫力，建议在$V{DD}$和$V{SS}$引脚与地之间使用1 µF至10 µF的电源去耦电容，并在靠近电源引脚处放置一个0.1 µF的电容，以提供最佳的电源去耦效果。同时，要确保在电源升压之前建立好接地（GND）连接。

2. 布局建议

• 电容连接：在$V{DD}$和$V{SS}$与地之间连接至少一个0.1 µF至10 µF的去耦电容，推荐使用0.1 µF和1 µF的电容，并将最低值的电容尽可能靠近引脚放置，同时要确保电容的电压额定值足以承受电源电压。
• 输入线长度：尽量缩短输入线的长度，以减少信号干扰和损耗。
• 接地平面：使用实心接地平面，有助于散热和减少电磁干扰（EMI）噪声的拾取。避免敏感的模拟走线与数字走线平行，尽量避免数字和模拟走线交叉，必要时进行垂直交叉。

六、总结

TMUX821x系列高电压模拟开关以其卓越的性能、强大的保护功能和广泛的应用领域，为电子工程师在高电压信号切换和控制方面提供了一个优秀的解决方案。无论是在测试设备、自动化控制还是其他高电压应用场景中，TMUX821x系列都能展现出其独特的优势。在实际设计中，我们可以根据具体的应用需求，合理选择电源供应和布局方式，充分发挥该系列开关的性能，实现高效、可靠的电子系统设计。

各位电子工程师们，你们在实际项目中是否使用过类似的高电压模拟开关呢？在使用过程中遇到过哪些问题？欢迎在评论区分享你们的经验和见解。