探索TMUX612x系列开关：高精度与高性能的完美结合

在电子工程师的日常设计中，选择合适的开关器件至关重要。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的TMUX6121、TMUX6122和TMUX6123这三款±16.5 - V、低电容、低泄漏电流的精密双单刀单掷（SPST）开关，看看它们在实际应用中能为我们带来哪些惊喜。

文件下载：tmux6121.pdf

一、器件概述

TMUX612x系列是现代互补金属 - 氧化物半导体（CMOS）器件，具备两个可独立选择的单刀单掷开关。它们支持双电源（±5 V至±16.5 V）、单电源（10 V至16.5 V）或非对称电源供电，所有数字输入均具有与晶体管 - 晶体管逻辑（TTL）兼容的阈值，确保了与TTL和CMOS逻辑的兼容性。

三款器件的差异

• TMUX6121：数字控制输入为逻辑1时，开关导通。
• TMUX6122：数字控制输入为逻辑0时，开关导通。
• TMUX6123：一个开关的数字控制逻辑与TMUX6121类似，另一个开关逻辑相反，并且具有先断后通（Break - Before - Make）的切换特性，适用于交叉点切换应用。

二、卓越特性

1. 宽电源范围

该系列开关的电源范围非常宽，双电源模式下为±5 V至±16.5 V，单电源模式下为10 V至16.5 V，这使得它们在不同的电源环境下都能稳定工作，为设计提供了极大的灵活性。

2. 低电容和低泄漏电流

• 低导通电容：仅为4.2 pF，能够有效减少信号的失真和干扰，提高信号传输的质量。
• 低输入泄漏电流：仅0.5 pA，在高阻抗输入的应用中，能够最大程度地减少偏移误差，确保测量的高精度。

3. 低电荷注入

电荷注入仅为0.51 pC，这一特性在采样保持电路等对电荷注入敏感的应用中尤为重要，能够显著降低采样误差。

4. 快速开关时间

开关导通时间仅为68 ns，能够快速响应控制信号，实现高速的信号切换。

5. 先断后通切换（TMUX6123）

TMUX6123的先断后通特性可以避免在切换过程中出现短路的情况，提高了系统的可靠性和稳定性。

6. 低导通电阻

导通电阻低至120 Ω，能够减少信号在开关中的损耗，提高信号的传输效率。

7. 静电放电（ESD）保护

人体模型（HBM）ESD保护达到±2 kV，能够有效防止器件在生产、运输和使用过程中受到静电的损害，提高了器件的可靠性。

三、应用领域

TMUX612x系列开关凭借其卓越的性能，在多个领域都有广泛的应用：

• 工厂自动化和工业过程控制：在工业自动化系统中，需要对各种模拟信号进行精确的切换和控制，TMUX612x的高精度和可靠性能够满足这一需求。
• 可编程逻辑控制器（PLC）：PLC需要处理大量的输入输出信号，TMUX612x的快速开关时间和低泄漏电流能够确保信号的准确传输。
• 模拟输入模块：在模拟输入模块中，需要对不同的模拟信号进行选择和切换，TMUX612x的低电容和低电荷注入特性能够减少信号的失真。
• 自动测试设备（ATE）：ATE需要对被测器件进行高精度的测试，TMUX612x的高精度和稳定性能够提高测试的准确性。
• 数字万用表：数字万用表需要对不同的电压、电流等信号进行测量，TMUX612x的低泄漏电流和宽电源范围能够满足测量的需求。
• 电池监测系统：在电池监测系统中，需要对电池的电压、电流等参数进行实时监测，TMUX612x的低功耗和高精度能够延长电池的使用寿命并提高监测的准确性。

四、参数详解

1. 绝对最大额定值

了解器件的绝对最大额定值对于确保器件的安全使用至关重要。TMUX612x的绝对最大额定值包括电源电压、输入输出电压、电流、温度等参数。例如，电源电压 (V{DD}) 至 (V{SS}) 的最大值为36 V，环境温度范围为 - 55°C至140°C等。在设计过程中，必须确保器件的工作条件在这些额定值范围内，否则可能会导致器件永久性损坏。

2. 电气特性

• 导通电阻：导通电阻 (R{ON}) 是开关的重要参数之一，它会随着输入电压和电源电压的变化而变化。在双电源±15 V、(T{A}=25^{circ}C) 的条件下，当 (V{S}=0 V)、(I{S}=1 mA) 时，(R_{ON}) 典型值为120 Ω。
• 泄漏电流：包括源极关断泄漏电流 (I{S(OFF)})、漏极关断泄漏电流 (I{D(OFF)}) 和漏极导通泄漏电流 (I{D(ON)})。在不同的温度和电压条件下，泄漏电流的数值会有所不同。例如，在 (T{A}=-40^{circ}C) 至 + 85°C、开关关断、(V{S}= + 10 V)、(V{D}=-10 V) 的条件下，(I_{S(OFF)}) 的典型值为 - 0.12 nA至0.05 nA。
• 开关时间：开关导通时间 (t{ON}) 和开关关断时间 (t{OFF}) 也是重要的参数。在双电源±15 V、(T{A}=25^{circ}C)、(V{S}= + 10 V)、(R{L}=300 Ω)、(C{L}=35 pF) 的条件下，(t{ON}) 典型值为68 ns，(t{OFF}) 典型值为57 ns。

3. 热信息

热信息包括结到壳（顶部）热阻 (R{theta JC(top)})、结到板热阻 (R{theta JB}) 等参数。这些参数对于评估器件的散热性能和确定合适的散热方案非常重要。例如，TMUX612x的 (R{theta JC(top)}) 为66.2 °C/W，(R{theta JB}) 为103.2 °C/W。

五、典型应用：采样保持电路

采样保持电路是TMUX612x的一个典型应用。在模拟 - 数字转换器（ADC）中，采样保持电路可以对变化的输入电压进行采样，并在转换过程中保持电压的稳定，从而提高转换的可靠性和稳定性。

1. 设计要求

设计一个优化的2输出采样保持电路，需要支持高达±15 V的高电压输出摆幅，同时要尽量减少基座误差和缩短建立时间。

2. 详细设计过程

使用TMUX612x开关与电压保持电容 (C{H}) 配合实现采样保持功能。当开关SW2闭合时，对输入电压进行采样，并将保持电容 (C{H}) 充电到输入电压值；当开关SW2断开时，保持电容 (C{H}) 保持其先前的值，从而在放大器输出端（(V{OUT})）维持稳定的电压。

由于TMUX612x具有出色的电荷注入性能（仅0.51 pC）和超低的泄漏电流（在25°C时，典型值为0.5 pA，最大值为20 pA），能够有效减少采样误差和电压下降。此外，还增加了第二个开关SW1与SW2并行工作，以减少开关切换时的基座误差，并添加了由 (R{C}) 和 (C{C}) 组成的补偿网络，进一步降低基座误差，减少保持时间的毛刺并改善电路的建立时间。

3. 应用曲线

TMUX612x的电荷注入与源输入电压的关系曲线可以直观地展示其电荷注入性能，帮助工程师更好地评估其在采样保持电路中的应用效果。

六、电源和布局建议

1. 电源建议

为了提高电源噪声免疫力，建议在 (V{DD}) 和 (V{SS}) 引脚与地之间连接一个0.1 µF至10 µF的电源去耦电容。在双电源或非对称电源应用中，应先对 (V{SS}) 进行升压，再对 (V{DD}) 进行升压，并确保在电源升压之前建立良好的接地连接。

2. 布局指南

• 去耦电容：将0.1 - µF的去耦电容尽可能靠近 (V{DD}) 和 (V{SS}) 引脚放置，并确保电容的额定电压能够满足电源要求。
• 输入线：尽量缩短输入线的长度，以减少信号的干扰和损耗。
• 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。
• 走线安排：避免敏感的模拟走线与数字走线平行，尽量减少数字和模拟走线的交叉，必要时进行垂直交叉。

七、总结

TMUX6121、TMUX6122和TMUX6123这三款开关器件以其宽电源范围、低电容、低泄漏电流、低电荷注入等卓越特性，为电子工程师在高精度、高电压的模拟信号切换应用中提供了理想的解决方案。无论是在工业自动化、测试测量还是电池监测等领域，它们都能发挥出重要的作用。在实际设计过程中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择器件，并遵循电源和布局建议，以充分发挥其性能优势。你在使用类似开关器件时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。