对SPI控制选通的模拟开关（具先开后合功能）进行外部接线实现多路复用器功能

简介

开关信号是电子系统的重要组成部分，其作用是提供灵活性并让系统可以支持更多通道。应用有很多不同类型，每种应用有不同的开关切换要求。因此，大量需要开关切换的应用有时可能难以找到合适的开关来准确满足需要的功能。

本应用笔记介绍 ADI 公司串行外设接口 (SPI) 控制开关系列中的先开后合式 (BBM) 切换特性。本文说明了如何通过这种 BBM 开关功能以及适当的外部接线来为给定应用构造所需的多路复用器 (mux) 配置。本文还讨论了开关外部接线的性能考虑。

图 1 展示了通过外部接线配置为 3:1 多路复用器和 5:1 多路复用器的 ADGS5414 示例。

图 1.ADGS5414 通过外部接线配置为多路复用器

ADI 公司的 SPI 开关具有一个带错误检测功能的4线串行接口。图 2 展示了其中一款 SPI 开关 ADGS5414 的功能框图。构成器件 SPI 部分的四个引脚如图 2 所示。它们是串行时钟输入 (SCLK)、串行数据输入 (SDI)、串行数据输出 (SDO) 和片选()。

图 2.ADGS5414 功能框图

工作模式包括寻址模式、突发模式和菊花链模式。所有器件都提供有保证的 BBM 切换功能。这些器件兼容行业标准 SPI 模式 0 和模式 3，意味着串行数据在 SCLK 的上升沿读入器件，并在 SCLK 的下降沿传出。器件通信支持高达 50 MHz 的 SCLK 频率。SPI 器件的默认工作模式为寻址模式，器件寄存器通过以为边界的 16 位 SPI 命令访问。寻址模式命令包含一个 R/位，后面跟随一个 7 位地址，并以 8 位数据结束。图 4 显示了寻址模式下的 SPI 帧。

突发工作模式使用与寻址模式相同的 SPI 命令，但在突发模式下，在 SPI 命令之间保持低电平。

在新的 SPI 控制开关系列中，SPI 接口上的协议和通信错误是可检测的，即使在最恶劣环境下也能确保通信稳健可靠。SPI 接口上有三种可检测的错误：SCLK 计数错误检测、无效的读取和写入地址错误检测以及循环冗余校验 (CRC) 错误检测。每种错误检测特性都可以利用错误配置寄存器中的相应使能位来使能和禁止。此外，在错误标志寄存器中，每种错误都对应一个错误标志位。

菊花链模式是 SPI 开关的另一个重要特性，即多个器件可以像链条一样连接起来。在菊花链配置中，一个器件的 SDO 连接到链中下一个器件的SDI，如此类推，如图 3 中的两个 ADGS1212 器件所示。这种配置很有好处，因为它支持仅通过四条数字线路来控制很多 SPI 开关，进而减少电路板占用面积并降低设计复杂性。

图 3.两个 ADGS1212 器件连接成菊花链配置

图 4.寻址模式时序图

先开后合式 (BBM) 开关

BBM 切换的定义是一个开关先断开，然后另一个开关闭合。有保证的 BBM 切换是 ADI 公司所有 SPI 开关的一项特性。此特性意味着，当发出一个 SPI 命令以闭合一个开关并断开另一个开关时，被指令断开的开关先断开，然后另一个开关才会闭合。

图 7 展示了通过外部接线配置为 4:1 多路复用器的 ADGS1412，以及发出一个 SPI 帧以指令器件断开源 S1 并闭合源 S2 时发生的情况。

ADGS1412 初始配置为 S1 闭合，因此该输入上的信号输出至漏极 (D)。然后向器件发送 SPI 命令 0x0102 (这是一个针对开关数据寄存器的命令)，以断开 S1 并闭合 S2。按照BBM的定义，S1 先断开，然后 S2 才闭合。此功能确保 S1 和 S2 输入端上的电路不会短路。 (原文描述错误，需要订正)

图 5 展示了在这一系列事件中D端的信号，假定 S1 和 S2 处的电压相等。

图 5.S1 断开与 S2 闭合之间的 BBM 时序

当 S1 断开时，可以看到电压逐渐消失。然后 S2 闭合，施加于 S2 的信号开始出现在 D 端。SPI 控制开关数据手册中引用的 BBM 时间是从第一个信号下降到其初始值的 80% 至 S2 达到其最大值的 80%。有关每款器件的 BBM 时序测试的更多信息，请参阅相应的 SPI 控制开关数据手册。

这种先开后合特性使得 SPI 开关可以被配置为应用所需的任何多路复用器，这就为多路复用器配置的实现提供了极大的灵活性。在印刷电路板 (PCB) 上必须进行适当的外部接线，将相关的源极或漏极引脚连接处。图 6 展示了利用外部接线配置为多路复用器的另一个器件示例。本例中，ADGS1412 配置为单刀双掷 (SPDT)×2 解决方案。

图 6.ADGS1412 通过外部接线配置为双通道 SPDT

图 7.SPI 命令期间先开后合切换过程的时间线

性能考虑

当开关配置为多路复用器时，数据手册中的规格特性会有变化。

将器件的多个漏极连接在一起时，连接点处的总电容会增大，因为每个漏极的电容都加在一起。这种增大意味着当连接成多路复用器配置时，漏极电容 CD(Off) 和 CD(On) 会变大，进而导致可以通过开关传播的信号带宽减小，原因是开关通道的电阻电容 (RC) 值变大。

另外，可以预计漏极相连时漏电流会增加。这种漏电流是由于相连漏极引脚之间的漏电流相加所致。

最后，可以预计相连通道之间的串扰性能会降低。这种降低是通过 PCB 走线实现物理连接的结果。

这些不利之处并非意料之外的，任何多路复用互补金属氧化物半导体 (CMOS) 开关都存在这样的权衡考虑。

ADI SPI 开关系列

ADI 公司的 SPI 开关系列包含类型广泛的串行控制开关，它们针对不同应用进行了优化。表 1 列出了该系列的通用型号、配置以及器件性能如何优化。表 1 中的所有器件均具有本应用笔记中讨论的先开后合式切换特性;因此，它们可以通过外部接线配置为多路复用器。

表 1.ADI SPI 开关系列

结论

ADI 公司的 SPI 开关提供一个4线串行接口，其具有稳健的接口错误检测特性和菊花链模式。该系列中的每款 SPI 开关都具有可靠的先开后合式切换特性。通过此特性，用户可以灵活地将开关配置为最终应用所需特定的多路复用器配置。需要考虑器件规格特性如何受外部接线的影响，但这些性能权衡与我们在其他 CMOS 多路复用器中看到的权衡类似。