9. Мультиплексоры и демультиплексоры
9.1. Общие сведения
Мультиплексором (MUX) называется комбинационное устройство, предназначенное для коммутации в желаемом порядке сигналов с нескольких входных шин на одну выходную (бесконтактный многопозиционный переключатель). С помощью мультиплексора осуществляется временное разделение информации, поступающей по разным каналам (коммутатор с n входов на один выход).
Функции демультиплексора противоположны функциям мультиплексора – это коммутатор с одного входа на n выходов.
Мультиплексоры и демультиплексоры в микросхемном исполнении имеют несколько групп входов. Число выходов мультиплексора один или два (мультиплексоры с парафазным выходом). Число выходов демультиплексора определяется числом адресных входов. Входы делятся на следующие группы: информационные, управления, адресные, разрешающие. Если адресных входов n, то число информационных входов мультиплексора D = 2n. Общее число входов мультиплексора равно
N = n + 2n + v + с,
где v – число разрешающих входов;
с – число управляющих входов;
n – число адресных входов.
Кроме прямого назначения мультиплексор может использоваться для преобразования параллельного кода на входах в последовательный код на выходе. Для этого код на адресных входах должен циклически изменяться, принимая все последовательные значения. Такое изменение кода можно обеспечить, присоединив к адресным входам выходы счетчика, последовательно изменяющего свое состояние под действием импульсов генератора.
9.2. Мультиплексоры
Набор сигналов на адресных входах определяет конкретный информационный вход Di, который будет соединен с выходом. Пример мультиплексора на два информационных входа представлен на рис. 9.1.
Рис. 9.1. Мультиплексор 2 : 1
Наличие разрешающих входов расширяет возможности мультиплексора, позволяя синхронизировать его работу с работой других узлов. Эти входы используются также для наращивания разрядности. На рис. 9.2 представлены структура четырехвходового мультиплексора с одним разрешающим входом и условное графическое обозначение мультиплексора на восемь входов с одним инверсным разрешающим входом.
Работа мультиплексора 4:1 описывается следующим логическим уравнением:
Из уравнения следует, что структура мультиплексора состоит из 2n схем совпадения, каждая из которых имеет n адресных, один информационный и один стробирующий вход, и одной схемы ИЛИ с 2n входами. Ее выход является выходом мультиплексора.
В интегральном исполнении мультиплексоры выпускают на четыре, восемь или шестнадцать входов. Большее число входов обеспечивается путем объединения нескольких микросхем. Используют два способа наращивания числа входов: объединение (каскадирование) нескольких мультиплексоров в пирамидальную (древовидную) систему и использование разрешающих входов с подключением дополнительных логических элементов.
Пирамидальные мультиплексоры строят по ступенчатому принципу и применяют обычно две, реже три и более ступеней (рис. 9.3). Младшие разряды кода адреса подают на адресные входы первой ступени, а ступеням более высокого ранга соответствуют старшие разряды кода адреса. На рис. 9.3 представлен вариант мультиплексора 32:1 на основе четырех мультиплексоров 8:1 в первой ступени и одного мультиплексора 4:1 во второй ступени.
а б
Рис. 9.2. Структура мультиплексора 4:1 (а) и условное графическое
обозначение мультиплексора 8:1 (б)
Недостатками пирамидального наращивания являются повышенный расход микросхем и снижение быстродействия из-за суммирования задержек при последовательном прохождении сигналов по ступеням пирамиды.
Рис. 9.3. Пирамидальный двухступенчатый мультиплексор 32:1
Мультиплексор 32:1 можно получить на основе двух микросхем 16:1. Такая схема на базе двух мультиплексоров 155КП1 представлена на рис. 9.4.
Рис. 9.4. Мультиплексор с использованием разрешающих входов
Работа мультиплексоров КМОП серий отличается от работы мультиплексоров ТТЛ.
При работе с логическими элементами КМОП электронный ключ очень легко получить на одном или двух МОП-транзисторах, поэтому в КМОП схемах логический элемент И в качестве электронного ключа не используется. Упрощённая схема электронного ключа, выполненного на комплементарных МОП-транзисторах, приведена на рис. 9.5. Даже одиночный n-канальный или p-канальный полевой транзистор может служить аналоговым ключом, но его сопротивление в открытом состоянии будет значительно зависеть от величины коммутируемого сигнала. Соединение n-канального и p-канального МОП-транзистора в параллель резко снижает эту зависимость.
Рис. 9.5. Схема электронного ключа, выполненного на МОП-транзисторах
Такой ключ может коммутировать как цифровые, так и аналоговые сигналы. Сопротивление открытых транзисторов составляет, обычно, от единиц до десятков Ом, а сопротивление закрытых транзисторов превышает десятки мегом. В этом есть как преимущества, так и недостатки. То, что ключ, собранный на МОП-транзисторах, не является обычным логическим элементом, позволяет объединять выходы электронных ключей в соответствии со схемой, приведенной на рис. 9.6.
Рис. 9.6. Мультиплексор, управляемый двоичным кодом
Как отмечено выше, мультиплексор на основе КМОП-транзисторов может быть использован для коммутации аналоговых сигналов. Поскольку аналоговые сигналы, в общем случае, могут быть двуполярными, современные мультиплексоры могут быть запитаны как от однополярного, так и от двуполярного источника напряжения. Причём напряжения питания могут быть несимметричны. При любом варианте подключения питания (одно- или двуполярного) необходимо, чтобы диапазон амплитуд коммутируемых аналоговых сигналов укладывался в диапазон от –Uпит до + Uпит.
Реальные схемы мультиплексоров обычно содержат на входах и выходах дополнительные логические элементы. Только в этом случае цифровая схема в целом будет функционировать правильно и надёжно. Обычно эти элементы уже заложены в схемы серийно выпускаемых ИС мультиплексоров.
В мультиплексоре требуется подключать к выходу только один из входных сигналов. Точно так же, как и в ТТЛ-микросхемах, для управления электронными ключами двоичным кодом в состав мультиплексора вводится дешифратор. Схема такого мультиплексора приведена на рис. 9.6.
В отечественных микросхемах мультиплексоры обозначаются буквами КП, следующими непосредственно за номером серии микросхем. Например, микросхема К1533КП2 является сдвоенным четырехканальным мультиплексором, выполненным по ТТЛ-технологии, а микросхема К1561КП1 является сдвоенным четырехканальным мультиплексором, выполненным по КМОП-техно-логии.
Условное графическое обозначение мультиплексоров не зависит от технологии изготовления микросхем, т. е. КМОП-мультиплексор обозначается точно так же, как это приведено на рис. 9.2.
Микросхемы К561КП1 и КР1561КП1 содержат по два четырехвходовых мультиплексора. Микросхемы имеют два адресных входа 1 и 2, общие для обоих мультиплексоров, общий вход стробирования S, информационные входы ХО – ХЗ первого мультиплексора и его выход, входы Y0 – Y3 второго мультиплексора и его выход. Два варианта изображения микросхемы КП1 приведены на рис. 9.7.
Рис. 9.7 Мультиплексоры К561КП1 и К1561КП1:
а – структурная схема; б – условное изображение
При подаче на адресные входы 1 и 2 двоичного кода адреса и на вход S логического 0 выходы мультиплексоров соединяются со входами, номера которых соответствуют десятичному эквиваленту кода адреса. Если на входе S логическая 1, выходы мультиплексоров отключаются от входов и переходят в высокоимпедансное состояние. Соединение входов с выходом в мультиплексорах К176КП1, К561КПЗ и КР1561КПЗ осуществляется двунаправленными ключами на КМОП-транзисторах, схемы которых аналогичны приведённым на рис. 9.5. Передаваемый через мультиплексор сигнал может быть как аналоговым, так и цифровым. Он может передаваться как со входов на выход (микросхема работает в режиме мультиплексора), так и с выхода распределяться на входы (режим демультиплексора).
Кроме подключения к выходу одного из входов, заданного его адресом, мультиплексоры применяют для мультиплексирования шин (см. рис. 8.5). Мультиплексирование шин – это поочередное переключение шин (групп линий) от нескольких источников информации к одному приемнику. Такие функции выполняются схемами на основе коммутаторов одиночных линий. Количество мультиплексоров определяется числом источников информации (количеством коммутируемых шин), а разрядность мультиплексоров – разрядностью коммутируемых шин.