MAX14661：超越轨的16:2多路复用器的深度解析

在电子设计领域，多路复用器是实现信号选择和切换的关键组件。今天要为大家详细介绍的是Maxim Integrated推出的MAX14661超越轨16:2多路复用器，它在性能、功能和应用方面都有着独特的优势。

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一、产品概述

MAX14661是一款串行控制的双通道模拟多路复用器，它允许16个引脚中的任何一个以任意组合方式同时连接到两个公共引脚中的任意一个。该器件具有超越轨（Beyond-the-Rails™）能力，能够在+1.6V至+5.5V的任何单电源下传输±5.5V的信号。串行控制方式可在I²C和SPI之间进行选择，两种模式都能对每个独立开关进行单独控制，实现任意开关组合。此外，它采用28引脚（4mm x 4mm）TQFN封装，工作温度范围为-40ºC至+85ºC，AB_和COM_引脚提供±10kV ESD（HBM）保护。

二、应用领域

MAX14661的应用场景十分广泛，主要包括以下几个方面：

• 系统诊断：在复杂的电子系统中，用于选择不同的测试信号进行系统状态监测和故障排查。
• 数据采集：实现多个数据源的信号切换，方便数据采集设备获取不同通道的数据。
• I²C信号切换：在I²C总线系统中，灵活切换不同的I²C设备，提高总线的利用率。
• 音频输入选择：用于音频系统中，选择不同的音频输入源，为用户提供多样化的音频体验。

三、特性与优势

3.1 超越轨技术降低成本和复杂度

• 宽电压信号处理：能够从+1.6V单电源切换±5.5V信号，大大减少了电源设计的复杂度和成本。
• 宽电源电压范围：支持+1.6V至+5.5V的电源电压范围，适用于多种电源环境。
• 低导通电阻：在整个电源范围内典型导通电阻仅为5.5Ω，降低了信号传输的损耗。

3.2 灵活的多路复用功能实现设计复用

• 16:2矩阵开关：可将任何输入引脚以任意组合方式连接到两个公共引脚之一，提供了极大的设计灵活性。
• 独立开关控制：每个开关都可以通过I²C或SPI进行独立控制，方便实现复杂的信号切换逻辑。
• 可编程影子寄存器：允许同时更新开关状态，确保系统的同步性和稳定性。

3.3 低失真开关改善系统性能

• 低总谐波失真和噪声：典型总谐波失真 + 噪声仅为0.005%，保证了信号的高质量传输。
• 导通电阻平坦度低：在整个信号范围内导通电阻平坦度典型值为2.5mΩ，减少了信号失真。

3.4 集成保护确保系统可靠性

• ESD保护：所有AB_和COM_引脚提供±10kV HBM ESD保护，即使在设备断电时也能有效防止静电损坏。

四、电气特性

4.1 电源特性

• 电源电压范围：1.6V至5.5V，能够适应不同的电源环境。
• 电源抑制比：在RCOM = 50Ω、VCC = +3.3V ±0.1V、f = 10kHz条件下，典型值为-84dB，有效抑制电源噪声。
• 电源电流：在不同开关状态下，电源电流有所不同，例如在VCC = +3.3V、所有开关导通时，典型值为675µA。

4.2 模拟信号特性

• 模拟信号范围：AB_和COM_引脚的模拟信号范围为-5.5V至+5.5V。
• 模拟信号幅度：根据电源电压和信号频率的不同，模拟信号的最大幅度有所变化。

4.3 开关特性

• 导通电阻：在不同电源电压下，导通电阻有所差异，例如在VCC = +5V时，最大导通电阻为8Ω。
• 导通电阻匹配：在VCC = 3.3V时，通道之间的导通电阻匹配典型值为0.25Ω。
• 导通电阻平坦度：在VCC = 3.3V、ICOM = 10mA、VCOM = -5.5V至+5.5V条件下，典型值为25mΩ。

4.4 动态性能

• 关断时间：典型值为5µs，实现快速的信号切换。
• 先断后通时间：确保在开关切换过程中不会出现信号短路。
• 导通时间：典型值为13µs，保证信号的及时传输。
• 带宽：-3dB带宽典型值为60MHz，满足高速信号传输的需求。

五、引脚配置与功能

MAX14661的引脚配置丰富，每个引脚都有特定的功能：

• SPI/I²C引脚：用于选择串行通信模式（SPI高电平，I²C低电平），同时也是SPI DOUT信号的I/O电压电源引脚。
• AB_引脚：连接到开关的输入引脚，共有16个，如AB01 - AB16。
• COM_引脚：分为COMA和COMB，分别为所有A开关和所有B开关的公共连接引脚。
• SD引脚：低电平有效，用于设备的低功耗关断模式，此时所有寄存器清零，所有开关断开。
• CS/A0和DOUT/A1引脚：在I²C模式下作为地址位，在SPI模式下分别作为片选信号和数据输出引脚。
• SCLK/SCL和DIN/SDA引脚：分别为I²C的串行时钟和串行数据引脚，以及SPI的串行时钟和数据输入引脚。

六、寄存器映射与操作

6.1 直接访问寄存器（DIR0 - DIR3）

允许用户一次读取或写入8个开关的状态，寄存器地址支持自动递增，方便顺序读写。开关状态在字节的最后一位时钟输入后更新。

6.2 影子寄存器（SHDW0 - SHDW3）

用于存储开关值，支持同时更新开关状态。在发出复制命令之前，这些寄存器的设置不会立即生效，复制命令需写入CMD_A和CMD_B寄存器。

6.3 设置多路复用命令寄存器（CMD_A和CMD_B）

用户可以通过这两个寄存器轻松选择一个组中的任意单个开关。CMD_A用于控制A组开关，CMD_B用于控制B组开关。写入这两个寄存器后，设置的值将应用到开关上，且CMD_A必须在CMD_B之前编程。

七、串行接口

7.1 I²C接口

MAX14661在I²C模式下作为从设备，通过SDA和SCL两条线与主设备进行双向通信。主设备发起所有数据传输，并生成SCL时钟同步数据。每个传输周期包括起始条件、从设备地址、寄存器地址、数据字节和停止条件。

• 起始和停止条件：主设备通过在SCL高电平时将SDA从高电平拉低来表示起始条件，将SDA从低电平拉高来表示停止条件。
• 位传输：每个时钟脉冲传输一个数据位，SDA在SCL高电平时必须保持稳定。
• 应答位：每个字节传输后，接收方通过拉低SDA来表示应答。
• 从设备地址：由A0和A1输入配置，共有4个可能的地址，允许最多4个MAX14661设备共享同一I²C总线。

7.2 SPI接口

在SPI模式下，设备作为移位寄存器工作，与常见的串行接口兼容。用户可以根据表4所示的数据格式将每个开关的期望状态位移入，在CS上升沿且时钟输入的位数大于或等于开关数量（32位）时，开关状态更新。DOUT引脚用于串行输出，可用于创建串行菊花链，减少SPI接口所需的选择线数量。

八、应用信息

8.1 串行总线配置

MAX14661支持多种串行总线配置方式，各有优缺点：

• I²C：使用2个引脚，引脚数量最少，但每条总线最多支持4个设备，协议速度较慢，且不能实现所有设备的同时更新。
• SPI菊花链：使用3个引脚，比I²C快，能实现链中所有设备的同时更新，但加载所有设备需要n x 32个时钟。
• SPI独立CS：使用n + 2个引脚，是常见的SPI实现方式，单个设备更新速度快，但加载所有设备需要n x 32个时钟，且每个设备需要额外的引脚，不能实现所有设备的同时更新。
• SPI独立数据：使用n + 2个引脚，是加载多个设备最快的方式，能实现所有设备的同时更新，但每个设备需要额外的引脚，可能不被SPI控制器支持。

8.2 扩展ESD保护

所有引脚都集成了ESD保护结构，可承受高达±2kV（HBM）的静电放电。AB_和COM_引脚进一步提供±10kV（HBM）的ESD保护，即使在正常工作和设备断电时也能有效保护。

九、总结

MAX14661超越轨16:2多路复用器凭借其独特的超越轨技术、灵活的多路复用功能、低失真开关性能和强大的ESD保护能力，为电子工程师在系统诊断、数据采集、I²C信号切换和音频输入选择等应用领域提供了一个优秀的解决方案。在实际设计中，工程师可以根据具体的应用需求和系统要求，选择合适的串行总线配置方式，充分发挥MAX14661的优势，实现高性能、高可靠性的电子系统设计。大家在使用过程中遇到什么问题或者有什么独特的应用心得，欢迎在评论区分享交流。