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作者：Art Pini

关键词：复用器，开关，传感器

在进行多传感器数字化处理或将多个收发器连接到公用通信总线时，设计人员常常很难找到最有效的节省成本、功耗和空间的方法。解决方案是共享公用资源，避免重复构建整个信号链及其相关元器件。

实现办法是利用模拟多路复用器对输入进行多路复用。这样便可将多个传感器连接到一个模数转换器 (ADC) 的输入，由其依次对每个传感器进行数字化处理。同样的方法也可应用于通信总线，每个收发器可以按固定的时间间隔使用总线。

模拟开关和多路复用器的关键特性是它们都提供输入和输出之间的双向路径，而且还具有高信号完整性、极小的串扰和漏电电流。

本文首先说明模拟多路复用器和开关配置，然后介绍Texas Instruments的相关解决方案，以展示这些器件的功能和灵活性。然后，本文会就应用模拟开关和多路复用器实现资源共享提出一些指引。

模拟多路复用器

多路复用器是一种将多个输入源选择性地连接到公用输出线的电子开关（图1）。

图1：典型模拟多路复用器应用，使用4:1多路复用器依次对四个传感器的模拟输出进行数字化处理。逻辑信号A0和A1的二进制状态决定了哪个输入连接到ADC。（图片来源：Texas Instruments）

图1显示了四个传感器通过4:1模拟多路复用器连接到公用ADC。一对逻辑信号A0和A1控制将哪个传感器连接到ADC。由于传感器报告的物理特性不会随时间快速变化，因此顺序采样不会造成数据丢失的风险。其主要优点是只需使用一个ADC和相关电路便能处理所有四个传感器，元器件总数量得以减少，因而设计的总成本也得以降低。

多路复用器和开关配置

模拟多路复用器属于更广泛的电子开关类别，可提供如图2所示的大量配置。

图2： 一些常见的开关和多路复用器配置。开关与模拟多路复用器的不同之处在于前者的输出没有连接在一起，可以独立选择路线。（图片来源：Digi-Key Electronics）

多路复用器配置为选择2N个输入中的任何一个，常用型号是从2:1到16:1。对于每种多路复用器2N配置，数字控制线的数量等于N。因此，8:1多路复用器需要三条控制线。开关配置由输入（或“刀”）的数量及输出（或“掷”）的数量来描述。单刀单掷 (SPST) 开关具有一路输入和一路输出。单刀双掷 (SPDT) 开关具有一路输入和两路输出。集成电路 (IC) 制造商常常将多个开关装进单个IC封装中，并将这些开关描述为具有多个通道，如图 2 所示的四通道SPST开关。

SPST和SPDT开关是两种最常见的开关配置。另外还有用于射频 (RF) 应用的单刀三掷 (SP3T) 和单刀四掷 (SP4T) 开关。

开关可设计为具有特定的动态特性，可影响开关触点变化时发生的操作。如果开关设计为“先合后开”，则意味着初始连接将保持到建立新连接为止。动触点永远不会处于开路状态。相反，“先开后合”开关会先切断原始连接，再建立新连接，这样相邻触点就不会短路。

CMOS开关

当前大多数模拟开关和多路复用器设计采用互补金属氧化物半导体 (CMOS) 场效应晶体管 (FET)。代表性的双向开关元件采用两个互补CMOS FET：一个N沟道器件和一个P沟道器件，二者并联连接（图3）。

图3：基本多路复用器开关元件及其等效电路。互补FET支持双向操作，可以在任一方向上切换信号。（图片来源：Digi-Key Electronics）

并联布置产生的传导路径可以处理任一极性的信号。这种组合还使串联导通电阻 (R_On) 最小化，并降低其电压敏感度。等效电路的重要元件有R_On和沟道电容C_D。

导通电阻与源电阻R_Source和负载电阻R_Load一同影响开关闭合时的增益。导通电阻还随施加的信号电压而变化。导通电阻以及C_D和负载电容C_Load的并联组合会影响带宽和开关动态特性，主要是开关时间。一般而言，设计人员应力求让R_On和C_D最小化。同时还会有漏电电流进入信号路径，影响直流 (DC) 偏移。

当开关断开时，馈通电容C_F会在开关周围提供一条路径，限制其隔离能力。在开关闭合期间，源电容C_S与沟道和负载电容共享电荷，产生开关瞬态。

如图1所示，使用具有超高输入电阻的缓冲放大器缓冲开关输出，可以使开关导通电阻的影响降至最小。该电路配置减少了增益损耗，并最大限度降低了导通电阻变化的影响。然而，漏电流引起的补偿电压可能会增加。这里需要在工程上进行权衡，通常是通过选择漏电电流尽可能小的元件来解决。

模拟多路复用器和开关解决方案

Texas Instruments的TMUX1108PWR 8:1多路复用器是旨在与ADC配合使用的精密多路复用器的范例。其供电电压 (V_DD) 范围为1.08V至5V。信号电压范围为0V至V_DD，支持双向模拟或数字信号。通道串联电阻R_On的典型值为2.5Ω，漏电流小于3pA。导通电容为65pF，因此通道之间的渡越时间典型值为14ns，带宽为90MHz。

TMUX11xx系列多路复用器有多种配置可供选择。例如，TMUX1109RSVR是双通道4:1多路复用器；具有与TMUX1108PWR相同的供电范围和漏电电流规格，但导通电阻为1.35Ω（典型值），最大带宽为135MHz。该器件具有两个4:1多路复用器，可用作一个4:1差分多路复用器或两个4:1单端多路复用器（图4）。

这是一个差分四通道数据采集系统的应用示例，其中该系统基于双通道同步采样逐次逼近型ADC。每个ADC有四个差分通道。每个16位ADC的信号采样率为3MS/s，幅度高达±3.8V。此类采集系统的应用包括光学、工业和电机控制。

图4：两个双通道4:1多路复用器的一种应用是四通道差分信号采集系统，其带宽为16.45MHz，适用于处理光学、工业或电机控制信号。（图片来源：Texas Instruments）

最简单的多路复用器拓扑是单通道2:1多路复用器。这基本上是一个SPDT开关。Texas Instruments的TMUX1119DCKR是精密版本的2:1多路复用器。其电源范围和漏电电流规格与TMUX11xx系列的其他成员相同。导通电阻典型值为1.8Ω，最大带宽为250MHz。

2:1多路复用器有一种应用是使用两个这样的器件作为逆转开关（图5）。该电路是一个气体计量系统，使用差分飞行时间测量值来确定流速。有两个超声波变送器放置在一根管道中，相隔距离是已知的。首先测量从一个变送器到另一个变送器的传播时间，然后逆转变送器以测量另一个方向上的传播时间。根据时间差计算管道中的气体流速。两个TMUX1119多路复用器用于逆转变送器连接。这是一个多路复用器将信号路由到气流分析仪输入的示例。该多路复用器具有超低漏电电流和平坦的导通电阻，因而成为此类应用的出色选择。

图5：原理图显示了使用两个2:1多路复用器来逆转气流分析仪中一对超声变送器的连接。（图片来源：Texas Instruments）

除了各种各样的多路复用器配置之外，还可以将多个独立开关封装到一个IC中。以Texas Instruments的TMUX6111RTER四回路SPST开关为例（图6）。该器件具有0.5pA的超低漏电电流和800MHz的带宽。导通电阻适中，为120Ω。

图6：TMUX611RTER四回路SPST开关包括四个独立开关，具有极低的漏电电流和800MHz带宽。（图片来源：Texas Instruments）

这是该产品系列中的三款器件之一，提供四个独立开关。此版本有四个常开开关。另一个版本有四个常闭开关，而第三个版本是每类开关各有两个。

本文小结

模拟开关和多路复用器支持多个传感器共享一个公共模数转换器，从而在元器件空间、成本和功耗方面带来极大的经济性。这些器件还能提供极大的灵活性，可在计算机控制下更改电路连接，无论是共享通信总线还是改变变送器连接都可使用。

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关键词：自动化，测试，选料

随着芯片技术急速发展，简单的一片MCU已集成了多种数字、模拟混合、无线存储器，以及电源等电路功能，加上行业对这些芯片需求日益增加，要求制造商在产能增加下能够保持产品质量，维持高良率，这就对产品测试提出了更高的要求，同时也带动了ATE 自动化测试设备市场。

为了实现高性能、高性价比的IC 自动测试解决方案的开发和应用，需要先进的集成式引脚电子器件 (PE)、器件电源 (DPS) 和参数测量单元 (PMU)等产品的支撑。这最新一集的视频讲座中，我们邀请了在ATE行业中居于领先地位的技术供应商ADI公司的专家，为我们深入介绍自动化测试设备市场的发展趋势，以及如何快速完成ATE方案开发所需要产品的选型。

第一部分：

ATE自动化测试设备市场及应用

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第二部分：

ATE系统架构及ADI针对性的PE、DPS及PMU等产品解决方案

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关键词：安全光幕，保护，光电，晶体管，电源管理

本期Digi-Key Daily向大家推介两款产品——Omron F3SG-SR系列安全光幕和Infineon通用MOSFET电源。

产品一：Omron F3SG-SR系列安全光幕

光电安全光幕装置是通过发射红外线产生保护光幕，当有人或物体侵入光幕被遮挡时，装置将发出遮光信号，控制存在潜在危险的机械设备停止工作，避免发生安全事故。这是在工业现场使用很广泛的一种安全防护装置。

Omron 的F3SG-SR系列安全光幕采用标准化而又灵活的设计，让制造商能够兼顾安全标准的要求和生产线的灵活性，为设备操作员提供全面保护，其保护高度范围从160mm到2,480mm，支持IP67G耐油等级，最低工作温度为-30°C。

F3SG-SR光幕提供区域光束指示（ABI）功能，可快速检查光束状态。同时，远距离感应功能使其即使在恶劣环境下也能进行可靠的检测，在恶劣环境下可实现最大20m的稳定检测，最大检测范围为70m。

F3SG-SR的Intelligent Tap功能可存储程序并自动将程序上传到光幕帘，减少光幕装置的编程和替换编程时间，让光幕安全装置的部署和使用更便捷。

了解Omron F3SG-SR系列安全光幕帘更多信息，请看以下视频：

产品二：Infineon通用MOSFET电源

MOSFET是常用的电源管理器件，今天我们为大家推荐的是Infineon的≤40V的通用MOSFET。该系列产品具有极低的ROS(ON)导通电阻，有利于减低功率损耗，提高效率和系统性能。

Infineon的≤40V MOSFET电源包括多个单N通道和多N通道版本，封装类型包括PQNF 3.3×3.3、PQNF 3.3×3.3熔融引线、SuperSO8 5×6、DPAK和TO220等，为设计开发带来极大的灵活性。该产品可以广泛应用于开关电源、电池供电应用、电机驱动和控制器、移动设备等领域。

快速了解Infineon通用MOSFET电源，请点击以下视频：

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关键词 : 电感, 标识

问：TDK电感/线圈常见问题：物料标识

本文将帮助解答客户提出的关于TDK电感和线圈上的常见物料标识的一些问题。

问：某些 TDK 产品上的方向识别标识有何作用？

答：电感器都具有绕组方向（极性），而标识则有助于从外观上来确认其极性。
根据使用条件，电感的极性会影响电感的特性。

问：为什么有些产品上会印有 “4R7” 或 “100” 等字样？

答：这些标识是以微亨利（µH）表示的电感。前两位数表示有效数字，第三位数表示乘数。如果数字中包含“R”，则表示小数点。所有的数字都是有效数字。

例如：
4R7 = 4.7 (µH)
100 = 10 × 10⁰ = 10 (µH)
101 = 10 × 10¹ = 100 (µH)

有关以上内容的在线解答和图片，可点击以下链接查看：

• 部分产品上标识的方向识别标识的作用是什么？
• 印在部分产品表面上的”4R7″及”100″等文字代表什么？

更多有关电感、线圈的技术信息, 请参阅：

• 电感器选型时，别忘了这个重要参数: 直流电阻
• 电感和MLCC的直流重叠特性
• 电感（线圈）的Q值
• 电感—额定电流与饱和电流
• 模压功率电感上的裂纹

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关键词 : 电路设计, 方案

问：电路设计思路：三路单独输出和两路共控输出

最近有客户询问，是否有一种方法可以利用旋转开关分别控制三个单路输出，并且在开关的第四个位置打开输出第二路和输出第三路，但前提是在每个输出的单独开关期间不干扰其他输出。

我最初的解决方案使用了一个4位旋转开关、一个NPN晶体管、两个肖特基二极管、一个12VDC继电器、三个带有适当电阻的单独LED、一个1000欧姆电阻、一个12VDC 500mA电源和一个2.1×5.5mm圆形连接器。

电路行为：设计说明

就设计全面的电路而言，如果不详细分析一下其作用，可能会让人感到困惑。上图所示的电路中包含我使用的所有物料编号。下面我将逐步介绍激活旋转开关时的每一个“步骤”，以说明该电路是如何工作的。

• 位置1：LED 1本身

我画“X”的位置表示，由于缺乏连续性，电流不能按照某个方向流通。在这种情况下，NPN晶体管所在的位置只有一个X。晶体管不能导通，是因为R4上没有电压或电流；因此，没有电流可以通过NPN返回到继电器。

• 位置2：LED 2本身

本图中我画了更多的“X”来表示电流无法流通的地方。在这种情况下，NPN无法再接通，而电流也不能流过断开的开关，因为继电器在此位置不能接收任何功率。

• 位置3：LED 3本身

这一次，支路走向断开继电器开关的另一侧。继电器仍然接收不到任何功率，并且NPN处于断开状态，因此再次阻止了电流回流。另外，二极管D2也阻止了电流回流到继电器（二极管具有20V的反向击穿电压，因此没有问题）。

• 位置4：LED 2和LED 3同时接通

位置四的情况比较复杂，但解释起来仍然很简单。支路4通过栅极使晶体管饱和，进而导通了NPN晶体管（我选择的栅极会在10mA时增益为60，而前方的1K电阻会将电流限制为12mA，以保证饱和）。由于晶体管现在处于导通状态，电流可以通过继电器，并且继电器在12VDC下工作，而这是源自J1的电压。二极管D1仅起到保护作用，因为继电器线圈在关闭后容易产生反冲。电流可以通过NPN晶体管回到接地，从而形成一条完整的回路。由于电压充足（二极管在1A时的Vf为450mV），电流还会分流到二极管D2并向前流动，进而会降低LED 2和3的可用电压。继电器开关现已闭合，因为继电器正在工作，因而允许电流传输到LED 2。在通过二极管D2之后，电流也被分流回LED 3，从而使该灯亮起。

电路功能照片

旋转开关的位置1：

旋转开关的位置2：

旋转开关的位置3：

旋转开关的位置4：

物料清单一览

数量	Digi-key 物料编号	厂商物料编号
1	KC14A10.001NPS-ND	KC14A10.001NPS
2	CMF500HY-ND	CMF55500R00FEBF
1	993-1391-ND	PSAA06A-120L6-R-CR1
1	486-3381-ND	4840.2201
1	S1KHCT-ND	CFM12JT1K00
1	2N5550TARCT-ND	2N5550TAR
1	497-2493-1-ND	BAT41
1	Z1229-ND	G6L-1P DC12
1	1N5817-TPCT-ND	1N5817-TP
1	BC4161CT-ND	MRS25000C4300FCT00
1	365-1201-ND	OVLLB8C7
1	160-1659-ND	LTL1CHKGKNN
1	160-1661-ND	LTL1CHKRKNN

我在电路中使用的是基础的22AWG实心电线。为了方便器件，我列出了设计中所使用的一系列物料的链接。

物料选型时的注意事项

在选择某些物料方面，我还有几点需要补充一下。

我选择了电流至少为500mA的12V电源，以涵盖电路中的所有损耗。这远远超出了电路中的实际使用量。我明白，如果执行任何接近75mA电流的操作，都可能会突破极限，因为两个LED会消耗48mA，而1K电阻则消耗12mA。二极管消耗的电流非常低，所以我忽略了它们的电压降。继电器线圈大约消耗15mA电流，致使总电流接近75mA，而晶体管的最大处理功率仅约为625mW（我肯定不会采取从集电极到发射极的任何措施来突破最大功率）。晶体管的功耗也非常低，因此予以忽略。如果进行实验，我所选择的电源会空余大量的可用功率以供添加其他物料。我也明白，对于所需的特定连接器而言，我们并没有许多具有较低最大电流的电源（针对一些参数进行了筛选检查）。

我选择的NPN对我来说比较新，因为我设计的晶体管电路不多。该物料更多的是一种冗余的安全选择。从技术上讲，在未启动继电器的位置，电路会充分降低电流和电压，即便确实存在回流现象。我只是想明确阻止任何电流（即便是极微小的电流）回流到继电器线圈中。因此我需要一些使用方便的物料，因为还有很多额外的电阻。1K欧姆的电阻似乎还不错，12mA显然属于能够使一般NPN晶体管饱和的电流范围内。我试图通过搜索查找在电流水平接近12mA时具有增益的晶体管。我找到的晶体管在10mA，5V条件下增益为60。这其实大大超出了以下条件：源自12V的12mA电流肯定会使晶体管饱和。所有其他额定值都远远超过12V最大电压和最大电流消耗（Vce、Vce击穿和600mA集电极电流）。

用于保护电路免受反冲的二极管是一个通用的肖特基二极管。唯一要注意的是反向电压，在电压过大时，你肯定不希望出现传导错误并导致短路的情况。线圈反冲的电压通常很高，但由于过于迅速，因此对二极管本身造成的损害不大。二极管会将反冲限制为电路中的当前电压，而不是会损坏其他敏感器件的危险电平。

另一个二极管则主要提供通向LED 2和3的电路。另外还必须注意电流和反向电压。显然，我需要为两个LED提供更多的电流，而不希望为较低的反向电压感到头痛。我也不需要过多的正向电压降，以确保LED的亮度相同。我选择的肖特基二极管的平均正向电流为1A（远远超过我的需要），反向电压为20V（12V以上就已足够），且最终在1A时的正向电压仅为450mV。

对于开关和插座而言，我只需确保它们能够处理当前的电流和电压即可。它们对于此电路而言绰绰有余。

更多电路设计相关的技术信息, 请参阅：

• 电路分析定律复习
• 电路保护器件的差异
• “升压，降压式”稳压器与“升压/降压式”稳压器的比较
• 简单直流电路中欧姆定律的应用
• 开关电路及功能
• 选择正确的LED和LED驱动器

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作者：CliveMaxMaxfield

关键词：FPGA，开发工具，方案

最佳处理解决方案常常是由RISC、CISC、图形处理器与FPGA的组合提供，或由FPGA单独提供，或以硬处理器内核作为部分结构的FPGA提供。然而，许多设计人员不熟悉FPGA的功能、其发展脉络以及如何使用FPGA。

本系列文章由5部分组成，这是第1部分，将讨论FPGA的基础知识，并介绍主要提供商的一些示例解决方案。第2部分、第3部分、第4部分和第5部分将重点关注由Lattice Semiconductor、Microchip、Altera和Xilinx FPGA器件系列设计工具。

设计人员一直在寻找系统构架的构建方法，以提供可满足所有应用需求的最佳计算解决方案。在许多情况下，这种最佳解决方案常常需要使用现场可编程门阵列 (FPGA)，但令人遗憾的是，很多设计人员对这些器件的功能以及如何进行整合并不熟悉。

本文将简要说明可从使用FPGA中受益的设计场景。然后，在阐述基本工作原理之后，将会介绍一些有趣的FPGA解决方案和开发套件。

为何要使用 FPGA？

计算应用多种多样，能满足应用需求的最佳方法可能因应用而异，包括现成的微处理器 (MPU) 和微控制器 (MCU)、现成的图形处理单元 (GPU)、FPGA以及定制片上系统 (SoC) 器件。为了确定使用哪一种方法，需要仔细审视应用需求和考虑事项。

例如，当研究5G基站等尖端技术时，设计人员需要考虑到基础标准和协议仍在不断发展中。这意味着设计人员需要能够快速有效地应对任何超出控制范围的规范变更。

同样，他们需要能够灵活地响应未来在系统部署到现场后发生的标准和协议变更。此外，他们还必须能够响应系统功能中的意外错误或系统安全性方面的漏洞，修改现有功能或添加新功能，从而延长系统使用寿命。

尽管最高性能通常是由SoC提供，但这种方法既昂贵又耗时。另外，在芯片结构中实现的任何算法本质上都是“冻结在硅片中”。鉴于上述考虑，这种固有的不灵活性便成了问题。为了找到高性能和灵活性的最优平衡点，需要一条替代路线。该路线常常由FPGA、微处理器/微控制器与FPGA的组合或以硬处理器内核作为部分结构的FPGA提供。

什么是 FPGA？

这是一个很难回答的问题，因为对不同人来说，FPGA是不同的东西。而且，FPGA的类型有很多，每种类型都有不同的能力和功能组合。

可编程结构是任何FPGA的核心（即“FPGA-dom”的界定方面），并以可编程逻辑块阵列的形式呈现（图1a）。每个逻辑块都是多种元件的集合，包括查找表 (LUT)、多路复用器和寄存器，所有这些元件都可以进行配置（编程）以根据需要执行操作（图2）。

许多FPGA使用4输入LUT，可配置为实现任何4输入逻辑功能。为了更好地支持某些应用采用的宽数据路径，有些FPGA提供6 输入、7输入甚至8输入LUT。LUT的输出直接连接到逻辑块输出之一和多路复用器输入之一。多路复用器的另一个输入直接连接到逻辑块输入(e)。多路复用器可以配置为选择其中一个输入。

多路复用器的输出馈入寄存器输入。每个寄存器都可以配置为边沿触发的触发器或电平敏感锁存器（尽管如此，但不建议在FPGA内部使用锁存器形式的异步逻辑）。每个寄存器的时钟（或使能信号）可以配置为高电平有效或低电平有效。同样，置位/复位输入的有效电平也是可配置的。

这些逻辑块可以被视为漂浮在“可编程互连之海”中的“可编程逻辑之岛”。这种互连可配置为将任何逻辑块的任何输出连接到其他逻辑块的任何输入。同样，FPGA的主要输入可以连接到任何逻辑块的输入，任何逻辑块的输出都可以用来驱动器件的主要输出。

主要的通用输入/输出 (GPIO) 以组形式呈现，每组可配置为支持不同的接口标准，例如LVCMOS、LVDS、LVTTL、HSTL或SSTL。另外，输入的阻抗也是可配置的，输出的压摆率也一样可配置。

FPGA结构进一步扩展可包括SRAM块（称为块RAM (BRAM)）、锁相环 (PLL) 和时钟管理器之类的东西（图1b）。此外，还可以添加数字信号处理 (DSP) 块（DSP 切片）。它们包含可配置的乘法器和可配置的加法器，能够执行乘法累加 (MAC) 运算（图1c）。

高速SERDES块是FPGA的另一个常见特性，能支持千兆位串行接口。必须注意的是，并非所有FPGA都支持上述全部特性。不同FPGA针对不同的市场和应用提供不同的特性集合。

FPGA中的可编程结构可用来实现所需的任何逻辑功能或功能集合，一直到处理器内核甚至多个内核。如果这些内核是以可编程结构实现的，则称其为“软内核”。相较之下，有些FPGA（通常称为SoC FPGA）包含一个或多个“硬内核”处理器，其直接在硅片中实现（图1d）。这些硬处理器内核可能包括浮点单元 (FPU) 和L1/L2高速缓存。

同样，外设接口功能（如CAN、I²C、SPI、UART和USB）可以实现为可编程结构中的软内核，但许多FPGA将其作为硬内核在硅片中实现。处理器内核、接口功能和可编程结构之间的通信通常利用AMBA和AXI之类的高速总线实现。

第一批FPGA是由Xilinx于1985年推出上市，仅包含一个8 x 8可编程逻辑块阵列（没有RAM块、DSP块等）。相比之下，当今的高端FPGA可以包含数十万个逻辑块、数千个DSP块和以兆位 (Mb) 计的RAM。总体而言，它们可能包含数十亿个晶体管，相当于数千万个等效门（例如2输入NAND门）。

备选配置技术

为了确定逻辑块的功能和互连的布线，需要借助配置单元，后者可以用0/1（断开/接通）开关来形象地表示。这些单元还用于配置GPIO接口标准、输入阻抗、输出压摆率等。根据具体FPGA，这些配置单元可以采用如下三种技术之一来实现：

• 反熔丝：这些配置单元是一次性可编程 (OTP) 单元，意味着一旦对器件进行了编程，就无法撤回。此类器件往往仅限于太空和高安全性应用。其销量很小，因此价格很高，可谓昂贵的设计选择。
• 闪存：像基于反熔丝的配置单元一样，基于闪存的单元也是非易失性的。与反熔丝单元不同，闪存单元可以根据需要重新编程。闪存配置单元可以承受辐射，因而这些器件适合于太空应用（不过要对上部金属化层和封装进行修改）。
• SRAM：采用这种手段时，配置数据存储在外部存储器中，每次FPGA上电时都要从存储器中加载数据（或在动态配置情况下，按照指令要求加载数据）。

对于配置单元基于反熔丝或闪存的FPGA，优势在于它们是“即时接通”，功耗很小。这些技术的一个缺点是，除了用于创建芯片其余部分的基础CMOS工艺之外，他们还需要其他处理步骤。

对于配置单元基于SRAM技术的FPGA，优势在于使用与芯片其余部分相同的CMOS工艺制造，并且具有更高的性能，因为它通常比反熔丝和闪存技术领先一代或两代。主要缺点是SRAM配置单元比（相同技术节点的）反熔丝和闪存单元更耗电，并且容易因为辐射而发生单粒子翻转 (SEU)。

长期以来，后一个缺点导致基于SRAM的FPGA被认为不适合用于航空航天应用。最近，业界采用了特殊缓解策略，使得基于SRAM的FPGA与基于闪存的FPGA一同出现在“好奇号”火星漫游车等系统上。

利用FPGA提供灵活性

FPGA适用于多种多样的应用，特别适合用于实现智能接口功能、电机控制、算法加速和高性能计算 (HPC)、图像和视频处理、机器视觉、人工智能 (AI)、机器学习 (ML)、深度学习 (DL)、雷达、波束赋形、基站以及通信。

一个简单的例子是在其他使用不同接口标准或通信协议的器件之间提供智能接口。请考虑一个现有系统，其中有一个应用处理器使用旧式接口连接到相机传感器和显示设备（图3a）。

现在，假设系统的创建者希望将相机传感器和显示设备升级为更轻、更便宜、功耗更低的现代产品。唯一的问题是，两个新外设或其中之一可能使用现代接口标准，而原应用处理器 (AP) 却无法提供支持。或者，它们可能支持完全不同的通信协议，例如移动行业处理器接口 (MIPI)。在这种情况下，采用支持多种I/O标准的FPGA，再加之以某些软MIPI IP内核，将能提供一条快速、低成本、无风险的升级路径（图3b）。

再举一个应用例子，考虑一些计算密集型任务，例如执行雷达系统所需的信号处理或通信基站中的波束赋形。采用冯诺依曼或哈佛架构的常规处理器非常适合某些任务，但不适合于需要重复执行相同操作序列的任务。这是因为运行单个线程的单个处理器内核一次只能执行一条指令（图4a）。

相比之下，FPGA中可以同时执行多个功能，支持以流水线方式完成一系列操作，进而实现更大的吞吐量。同样，FPGA不像处理器那样执行相同的操作，例如对1,000对数据值再执行1,000次运算，而是在可编程结构中实例化1,000个加法器，从而在单个时钟周期中以大规模并行方式执行相同的计算（图4b）。

哪些厂商制造FPGA？

这是一幅不断演变的画卷。具备最高容量和性能的高端器件有两家主要制造商，分别是Intel（其收购了Altera）和Xilinx。

Intel和Xilinx提供从低端FPGA到高端SoC FPGA的各种产品。另一家几乎完全专注于FPGA的供应商是Lattice Semiconductor，其针对的是中低端应用。最后但并非最不重要的一家是Microchip Technology（通过收购Actel、Atmel和Microsemi），现在可提供多个系列的中小型FPGA和低端SoC FPGA类产品。

由于产品系列众多，每个系列提供不同的资源、性能、容量和封装样式，因此为眼前的任务选择最佳器件可能很棘手。下面是一些例子：Intel器件；Lattice Semiconductor器件；以及Xilinx器件。

如何使用FPGA进行设计？

传统的FPGA设计方法是工程师使用Verilog或VHDL之类的硬件描述语言来捕获设计意图。首先可以对这些描述进行仿真，以验证其是否符合要求，然后将其传送给综合工具，生成用于配置（编程）FPGA的配置文件。

每家FPGA供应商要么有自己内部开发的工具链，要么提供专业供应商定制的工具版本。无论哪种情况，都可以从FPGA供应商网站获得这些工具。另外，成熟工具套件可能有免费或低成本的版本。

为使FPGA更易于为软件开发人员所用，一些FPGA供应商现在提供高级综合 (HLS) 工具。这些工具会解析在C、C ++或OpenCL中以高级抽象所捕获的期望行为的算法描述，并生成输入以提供给较低级的综合引擎。

对于希望入门的设计人员，有许多开发和评估板可用，每种板提供不同的功能和特性。这里给出三个例子：DFRobot的DFR0600开发套件，其具有Xilinx的Zynq-7000 SoC FPGA；Terasic Inc.的DE10 Nano，其具有Intel的Cyclone V SoC FPGA；ICE40HX1K-STICK-EVN评估板，其具有Lattice Semiconductor的低功耗iCE40 FPGA。

若设计人员计划使用基于FPGA的PCIe子卡来加速X86主板上运行的应用程序，可以关注Alveo PCIe 子卡等产品，也是由Xilinx提供。

总结

最佳设计解决方案常常由FPGA、处理器与FPGA的组合或以硬处理器内核作为部分结构的FPGA提供。

FPGA多年来发展迅速，能够满足灵活性、处理速度、功耗等多方面的设计需求，适合于广泛的应用。

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关键词: 压电报警器, 噪音, 电路设计

问：如何关闭压电报警器发出的低音量噪音？

我们技术部门偶尔会遇到这样一个问题，即客户的压电报警器在关闭之后仍然会发出低音噪音。由于许多此类警报器被设计为在很小的电流下工作，因此只需很小的电压就能发出微弱的声音。所以，当系统中产生少量泄漏电压时，这些报警就会发出噪音。

我针对Mallory Sonalert产品与产品经理进行了讨论，他给出了3种可能的解决方案，以解决引起噪音的漏电压问题。

1. 将30 V齐纳瞬态电压抑制二极管与报警器（例如P6KE33A或P6KE36A）串联。
2. 另一种选择是：在报警器的端子上并联一个12-20瓦的电阻。对于120 VAC应用，建议使用2000欧姆电阻，如Ohmite编号B20J2K0的零件。对于使用250VAC的应用，可尝试使用5000欧姆电阻，例如B20J5K0。使用较低电压时，可以使用1000欧姆电阻，例如B20J1K0。

• 小贴士：在电路中放置电阻时，应注意不要接触任何热敏元件，包括外壳。

3. 你也可以选择并联一个白炽灯泡，就像跨端子连接的电阻一样。但需要使用与电压和功率额定值相匹配的灯泡。

• 小贴士：请注意，当警报器被激活时，使灯泡变亮的是全部电源电压。

Mallory针对其22mm工业报警器提供了完整的常见问题解答列表，可以在此查看。

更多有关音频产品的技术信息, 请参阅：

• 如何将引脚焊接到压电弯曲执行器
• 告诉你如何选择合适的蜂鸣器
• Cirrus Logic 的语音捕捉开发套件
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• 带蜂鸣器的窗户警报器参考设计

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关键词 : 开关, 紧急, 按钮, 工业

问：紧急开关浅谈

紧急开关（kill switch）是紧急停止按钮的别称；这个别称非常完美地体现出紧急停止的字面意思：即截停（kill）它所连接的机器。紧急停止按钮不应与常规关机按钮相混淆。关机按钮是指分步骤地停止机器或进程，以免造成任何损坏，而紧急停止则是指尽快停止进程，即使这样意味着损坏机器。公司这样做是为了防止人身伤害或进一步伤害，甚至以损失一台机器为代价。

这些开关可以采取许多不同的形式，但我们如今常见的大多数紧急开关通常是大型红色按钮且带有“紧急停止”字样，这对每个人来说都是非常醒目的。只需按下这些按钮即可，因此任何人都可以操作，即使这样会造成损害。

Digi-Key则在输送带周围将一个绳索系统连接到紧急停止按钮，因此无论你身处何处都应该能够拉动红色绳索以触发紧急停止系统。

紧急开关不仅用于工业设施，还可以用在你自己的产品中。许多人在车里放置了紧急开关，以防止遭到偷窃，在这种情况下，只需使用拨动开关（例如来自NKK开关的S301T）即可。

EAO（Digi-Key的紧急停止开关的供应商之一）提供了适用于紧急停止开关的数字产品选择器工具。借助这款EAO工具，你可以轻松地从多种选项中选择适合自己应用的产品。

Digi-Key提供了多种不同样式的紧急停止按钮，可满足你的不同需求。此外，Digi-Key还提供了各种配件，例如紧急制动板。

如果你想进行一些简单的设计，可以在此查看我们的开关类别。

更多开关相关的技术信息, 请参阅：

• 开关电路及功能
• 怎样寻找开关的替代料
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作者：Bill Giovino

关键词：单片机, 嵌入式

较长的电池续航时间，对提高消费类设备的用户满意度至关重要。对于电池供电的物联网 (IoT) 端点，延长电池续航时间可降低维护成本，提高可靠性。由于这些设备所使用的微控制器功耗相对较大，因此设计人员需要选择并应用合适的架构以满足这些应用的需求。事实证明，多数情况下16位微控制器正是最佳选择。

虽然8位微控制器的功能逐渐强大，但是鉴于处理能力和可寻址存储器有限，性能上存在固有限制，以致于高性能应用通常不会选用8位微控制器。另一方面，基于32位内核的系统对于这些应用往往又稍显过火，尤其是导致不必要的功耗过大时。

解决方案恰恰位于8位和32位内核中间的平衡点——16位微控制器。这类器件既像简单的单电源8位微控制器一样功耗较低，又具有32位内核的部分性能和存储器优势。如果应用不要求很多线程同时处理，存储器要求也不太高，那么16位微控制器可以提供适当的性能水平并能显著节能。

本文介绍了16位微控制器的架构及其如何成为许多电池供电的消费类设备和物联网端点应用的最佳选择。此外，还介绍了Microchip Technology和Texas Instruments推出的几款16位微控制器，并说明如何使用16位内核着手设计。

微控制器选型

在设计过程中，定义项目要求后的第一步就是为应用选择合适的微控制器。三种主流选项分别是8位、16位和32位微控制器。

不夸张地说，8位微控制器应用极为普遍，堪称设计人员的主力器件。低成本、低功耗的8位微控制器几乎适用于任何小功率应用：主流微控制器中功耗最低的器件，某些器件待机电流低于100nA。

使用也相对简单，8位微控制器大多基于累加器，尽管一些较新的架构具有寄存器组，因而编程模型简单且有限：累加器或带单个状态寄存器的小寄存器组、堆栈指针，以及一个或多个变址寄存器。堆栈往往都是硬件堆栈，并且固件无法访问程序计数器 (PC)。

尽管8位架构广受青睐，可一旦涉及网络和通信就遇到了瓶颈。几乎所有通信堆栈和网络协议都采用16位或32位，因此不必考虑8位架构。此外，即便是高端8位微控制器也往往局限于16位寻址，不具备分页机制，限制了固件的大小和复杂性。

另一方面，32位微控制器在所有高性能应用中广泛应用。基于寄存器的架构可轻松支持网络和通信；通常使用32位寻址，支持浮点运算和高等代数运算，并且时钟速率可达千兆赫级。32位内核具有更复杂的编程模型，包括多个状态寄存器、固件可访问的PC、复杂的中断管理以及两层或多层固件执行权限。

16位微控制器虽都基于寄存器，但架构同8位内核一样简单。因此，16位内核往往都具有良好的低功耗性能，电流消耗明显低于32位架构，功耗则几乎与8位内核一样低。如果应用需要进行高等数学运算，一些16位微控制器具有数学协处理器，在相同的内部时钟速度下其数学性能可与32位内核媲美。

此外，许多通信协议栈都支持16位微控制器联网。对于以太网、CAN、USB和Zigbee 等协议栈，只要应用程序代码的性能足以支持堆栈，那么使用16位微控制器的运行速度可与32位微控制器一样快。

支持大型闪存阵列寻址

32位与16位架构的一大差异在于存储器寻址范围。32位微控制器具有32位地址总线，可以访问高达4GB的存储器。传统16位微控制器使用16位寻址，只能访问64KB的存储器。不过，如今许多16位架构都使用高达24位的扩展寻址，相当于扩充了16MB的地址空间。

Microchip Technology的低功耗 PIC24F微控制器系列是扩展寻址方式的典型范例。其中一款微控制器PIC24FJ1024GA，32MHz的16位微控制器具有1MB的板载闪存和32KB的板载SRAM，使用类似于许多8位微控制器的简单编程模型（图1）。

PIC24具有23位程序计数器，可以访问高达8MB的程序闪存。16个16位寄存器，称为工作寄存器 (WREG)，记作W0至W15：W0至W13寄存器是通用寄存器 (GP)，可在固件控制下用于存储数据；W15 是专用堆栈指针 (SP)，除了可以通过函数和子例程调用、编程异常处理和调用返回使其自动递增和递减外，SP也可如W0至W13寄存器一样通过固件修改。

使用LINK和UNLINK汇编指令可将W14用作堆栈帧指针 (FP)。堆栈指针限制寄存器 (SPLIM) 是一个独立寄存器，可与SP配合使用以防止堆栈溢出。

PIC24采用具有独立地址和数据空间的哈佛架构。与特殊指令配合使用，数据表页地址 (TBLPAG) 寄存器和程序空间可视性页地址 (PSVPAG) 寄存器可用于访问并在地址和数据空间之间传输数据。这是32位架构的常用功能，但8位内核却鲜少具备。

16位重复循环计数器 (RCOUNT) 寄存器包含循环计数器，可用于REPEAT汇编指令。

16位CPU内核控制 (CORCON) 寄存器用于配置PIC24内核的内部操作模式。

最后，16位状态寄存器包含PIC24内核状态的工作状态位，包括上次执行汇编指令所产生的结果状态。

根据Microchip Technology对PIC24FJ1024GA606T的性能评定，工作频率为32MHz时可达16MIPS。对于16位内核而言，这一指标着实令人印象深刻。该内核具有32位微控制器的许多功能，例如同时支持分数运算的17位 × 17位硬件乘法器以及32位/16位硬件除法器。对于需要对传感器数据进行计算的物联网端点而言，这些功能相当管用。此外，该架构还可以同时读写数据存储器，却丝毫不影响性能。

虽然PIC24FJ1024GA606T具有USB OTG等多种标准外设，但在电池供电应用中其功耗相当低。所需的供电电压仅为2.0V至3.6V，微控制器以32MHz的工作频率全速运行时电流消耗最大值为7.7mA，换作是32位内核则极难实现这一指标。通过固件可以控制核心和外设时钟。目前有两种使器件进入低功耗模式的汇编指令：IDLE指令使PIC24内核停止运行，但外设可以继续工作；SLEEP指令将停止除看门狗（可选）和外部中断检测外所有器件的操作。空闲模式下，最大电流仅为2.8mA，而休眠模式下，最大电流范围为10至45µA，具体取决于外设配置。在最低功耗模式，即休眠模式下，仍保存随机存取存储器 (RAM) 中的内容，PIC24F的消耗电流低至190nA。

为了获得更高的性能，Microchip Technology在dsPIC®系列中推出高端16位微控制器。Microchip的dsPIC33EP512GP506T是其中一款16位70MIPS微处理器，具有512KB的闪存。dsPIC的内核寄存器与PIC24大致相同，只是增加了支持数字信号处理 (DSP) 指令的寄存器，包括两个40位累加器且支持32位乘法。如需对PIC24进行系统内升级，PIC24微控制器大多可以进行引脚兼容的dsPIC升级，因而使用同一块印刷电路板亦可提高性能。

当然，性能越高，功率也就越大。这款dsPIC33的供电电压为3.0至3.6V，运行速度达70MIPS时，最大电流为60mA。

降低功耗，提高性能

Texas Instruments的MSP430FR599x微控制器系列采用该公司的铁电随机存取存储器 (FRAM) 程序存储器，实现更高的读/写性能，而功耗较之闪存微控制器更低。

MSP430FR5994IPNR 16位微控制器是该系列产品之一，时钟频率达16MHz，具有256KB的FRAM。

MSP430FR微控制器内核的性能增强功能包括双向关联缓存（由四个行宽为64字节的缓存块组成），从而实现更高的FRAM性能；32位硬件乘法器可提高数学密集型操作的性能；以及独立于MSP430主内核的低能耗加速器 (LEA) 协处理器。该LEA可执行256点复数快速傅立叶变换 (FFT)、有限冲激响应 (FIR) 滤波器和矩阵乘法。根据TI的介绍，矩阵乘法的运算速度比Arm® Cortex®-M0+最多快40倍。该LEA可提高传感器融合操作、图像增强和超声波传感器数据处理的性能。面对这些应用时，开发人员通常都优先考虑32位内核，而非超低功耗的16位微控制器。

MSP430R的编程模型非常简单（图2），共有16个16位寄存器R0至R15：R0是程序计数器，R1是堆栈指针，R2是状态寄存器，R3是常数发生器（用于立即操作数），R4至R15是通用寄存器。其他寄存器配置则采用内存映射方式，与多数32位内核类似。

虽然提高了性能，却丝毫没有增加功耗。待机模式下，TI的MSP430FR5994以实时时钟 (RTC) 运行，电流消耗仅为350nA。关断模式下，电流消耗仅为45nA。这一指标低于目前市面上任何一款32位微控制器，甚至低于多数8位微控制器。

MSP430FR5994IPNR的工作电压范围为1.8至3.6V。固件以FRAM运行而缓存命中率为零时，MSP430FR的电流消耗仅为3mA。若从缓存运行代码，则电流消耗仅为790µA。结合LEA，这款16位微控制器可提供极高的处理性能和极低的功耗。

通过TI的MSP-EXP430FR5994 LaunchPad™可轻松开发MSP430FR5994系列的低功耗应用。该LaunchPad开发套件包含了开发人员着手MSP-EXP430FR5994微控制器编码和固件调试所需的一切（图3）。

该LaunchPad具有两个按钮、两个LED和一个microSD卡插槽。为了证明MSP430FR5994微控制器的低功耗性能，该LaunchPad具有0.22F的超大电容为LaunchPad供电。将LaunchPad接入外部电源并将跳线J8设置为“充电”，即可为电容充电。只需2至3分钟就可将电容完全充满。三分钟后，将跳线J8设置为“使用”，移除外部电源，MSP430即可运行数分钟，具体视应用而定。

此外，该LaunchPad还可用于测量MSP430及其应用的电流消耗。J101隔离块具有包括3V电源跳线3V3在内的七根跳线。移除跳线3V3，即可通过这两个引脚测量应用的电流。

该LaunchPad还支持TI的EnergyTrace™技术，可以连接计算机使用Texas Instruments的EnergyTrace图形用户界面 (GUI)，使开发人员能够实时观测MSP430微控制器和应用的功耗数据，从而微调应用以实现最低功耗。

例如，实时电流监控和记录可以显示MSP430微控制器的电流消耗偶尔出现激增。电流激增会降低电池质量，缩短电池寿命。电流激增可能缘于片上外设的错误配置、外部电感或电容负载，甚至是由于固件试图同时启动所有功能。通过电流监控和记录，开发人员可以明确应该如何调整固件，从而控制尖峰电流。

总结

对于许多低功耗、中等性能的电池供电嵌入式应用而言，开发人员可以选择合适的16位微控制器，而非32位内核。如上所述，在许多应用中，16位微控制器的功耗比32位内核低得多，却仍然可以实现所需的性能。

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关键词 : 放大器, 电路设计, 规格

问：运算放大器输出电压反相

有时，当超过输入共模电压时，你可能会遇到运算放大器输出问题，称为输出反相。当运算放大器的其中一个内部级不再具有足够的偏置电压并因此关闭时，通常会出现这种情况。这将导致输出电压摆幅到相反的供电轨上，直至输入返回到共模范围，如下所示（在电压跟随器中）。请注意，输入仍可位于电源电压轨中，但只能高于或低于某个指定共模限值。

当运算放大器配置为单位增益电压跟随器时，经常会发生反相情况。在反相模式下，反相不是大问题，因为两个输入都是恒定且接地的（或在某些单电源应用中处于中压电源）。

为避免反相，在设计电路之前，应注意规格书上的任何注释。有些会标记在“关键特性”表中，但未必会包含在规格表中。例如，Analog Devices的AD8625、AD8626和AD8627运算放大器的规格书（如下所示）显示了“主要特性”和“绝对最大额定值”。采用+5V单电源供电时，这些运算放大器的输入电压范围为0V至+3V（最大值）。因此，其规格书标记“无反相”意味着，输出在+3V至+5V的共模范围内不会出现反相。

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• 音频系统：阻抗、扬声器、低音炮、放大器
• 使用DK参数搜索功能选择运算放大器
• 对数放大器基本工作原理及其处理宽动态范围信号的方式
• D类放大器集成电路优势

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