Мультиплексор — цифровое логическое устройство¶
Мультиплексор (сокр. МП, англ. multiplexer, MUX) — комбинационное цифровое логическое устройство, которое выбирает один из нескольких входных сигналов и передаёт его на единственный выход под управлением управляющих (выборочных) входов. Мультиплексор относится к классу комбинационных схем и является обратным по отношению к дешифратору (демультиплексору) устройством. Число входов данных у мультиплексора обычно равно 2ⁿ, где n — количество управляющих входов.
¶Принцип работы
Мультиплексор имеет 2ⁿ входов данных (D₀…D₂ⁿ₋¹), n управляющих входов (S₀…Sₙ₋₁) и один выход (Y). По коду на управляющих входах устройство «подключает» к выходу один из входов данных. Например, четырёхвходовой мультиплексор (n = 2) имеет два управляющих входа S₁S₀ и четыре входа данных D₀…D₃:
| S₁ | S₀ | Выход Y |
|---|---|---|
| 0 | 0 | D₀ |
| 0 | 1 | D₁ |
| 1 | 0 | D₂ |
| 1 | 1 | D₃ |
Таким образом, мультиплексор выполняет функцию «электронного переключателя»: сигнал с одного из входов проходит на выход, остальные входы игнорируются.
¶Логическая схема
Выходная функция четырёхвходового мультиплексора записывается в виде:
Y = D₀·S̄₁·S̄₀ ∨ D₁·S̄₁·S₀ ∨ D₂·S₁·S̄₀ ∨ D₃·S₁·S₀
Каждый член суммы соответствует одному комбинационному состоянию управляющих входов. Из этой формулы видно, что мультиплексор реализуется на элементах И, ИЛИ и И-НЕ (НЕ). В интегральных микросхемах мультиплексоры строятся преимущественно на транзисторах МОП- или биполярной технологии.
¶Классификация
Мультиплексоры классифицируют по нескольким признакам:
- По числу входов данных: 2→1, 4→1, 8→1, 16→1 и т. д. Наиболее распространены четырёхвходовые (74HC153) и восьмивходовые (74HC151) мультиплексоры.
- По типу сигналов: цифровые (для логических сигналов) и аналоговые (мультиплексоры-коммутаторы для непрерывных сигналов).
- По разрядности: одноразрядные и многоразрядные (параллельные), когда несколько одноразрядных мультиплексоров работают синхронно.
- По технологии: TTL, КМОП (CMOS), биполярные.
¶Аналоговые мультиплексоры
Аналоговый мультиплексор (аналоговый коммутатор) выполняет ту же функцию, но для непрерывных сигналов — например, для напряжений или токов. В аналоговых мультиплексорах в качестве переключающих элементов используются полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) или специализированные аналоговые ключи. Ключевые параметры аналоговых мультиплексоров: полоса пропускания, сопротивление открытого ключа, ёмкость, кросс-помехи между каналами. Примеры интегральных аналоговых мультиплексоров — серии CD4051 (8→1), CD4052 (двойной 4→1), ADG708 и аналогичные.
¶Применение
Мультиплексоры широко используются в цифровой технике:
- Коммутация каналов связи — в телекоммуникациях принцип мультиплексирования (TDM — временнóе разделение каналов) позволяет передавать несколько сигналов по одному физическому каналу.
- Реализация логических функций — любой набор функций можно построить на мультиплексоре, подавая на входы данных соответствующие значения. Это свойство используется при синтезе схем на базе программируемых матриц.
- Организация шин — мультиплексоры применяются для подключения нескольких источников данных к общей шине процессора.
- Цифровая обработка сигналов — в АЦП с последовательным приближением, в устройствах сбора данных.
- Тестирование интегральных схем — при построении тестовых структур.
¶Мультиплексоры в программируемых логических интегральных схемах
Внутри ПЛИС (FPGA, CPLD) мультиплексоры являются базовыми элементами конфигурируемых блоков. Логические элементы (LUT) в современных FPGA фактически реализуются как мультиплексоры с управляющими входами, подключёнными к битам конфигурационной памяти.
¶Связь с демультиплексором
Демультиплексор (декодер) выполняет обратную операцию: один вход сигнала распределяется по одному из 2ⁿ выходов в зависимости от кода на управляющих входах. Мультиплексор и демультиплексор часто используются парой: первый концентрирует потоки, второй — распределяет.
¶Историческая справка
Мультиплексоры как отдельный класс логических элементов появились в 1960-х годах вместе с развитием интегральных схем серии TTL. Первые серийные мультиплексоры выпускались в виде отдельных микросхем (например, 74150, 74151), а позднее вошли в состав более сложных функциональных узлов — контроллеров, процессоров, коммутаторов.
¶Источники
- Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники».
- Тани С. «Цифровая техника и микропроцессоры».
- Справочник по цифровой технике. Микросхемы серии TTL/CMOS.
- ГОСТ и учебные пособия по цифровой схемотехнике.