當(dāng)設(shè)計(jì)一個需要高通道密度的系統(tǒng)時，在測試儀器儀表中，電路板通常需要包含大量的開關(guān)。當(dāng)使用并行接口控制開關(guān)時，控制開關(guān)所需的邏輯線和串行轉(zhuǎn)換并行轉(zhuǎn)換器生成GPIO控制信號將占據(jù)很大的比例板空間。探討了新一代的SPI控制開關(guān)及其架構(gòu)，旨在處理這一設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，以及與并行控制開關(guān)相比，它在提高通道密度方面的優(yōu)勢。ADI公司創(chuàng)新了許多芯片包裝技術(shù)，促使新的SPI并行轉(zhuǎn)換器芯片與現(xiàn)有的高性能模擬開關(guān)芯片結(jié)合在同一包裝中。這不僅可以節(jié)省空間，而且不影響精密開關(guān)的性能。

測試設(shè)備中的通道數(shù)量最大化尤為重要，因?yàn)橥ǖ涝蕉?，并行測試設(shè)備就越多，從而減少最終客戶的測試時間和費(fèi)用。測試儀通過開關(guān)共享其資源，以支持多個被測設(shè)備(DUT)，因此，開關(guān)是增加通道數(shù)量的關(guān)鍵部件。然而，并行控制的開關(guān)越多，控制線就越多，占用線路板的空間也相應(yīng)增加，嚴(yán)重限制了通道密度的實(shí)現(xiàn)。
在此情況下，使用SPI控制的開關(guān)在解決方案尺寸和通道數(shù)方面具有顯著的優(yōu)勢。SPI開關(guān)可以采用菊花鏈形式布置，相比于傳統(tǒng)解決方案，此舉可大幅減少所需的數(shù)字線路數(shù)。
本文將詳細(xì)說明通道數(shù)最大化過程中會遇到的問題，討論用于控制一組開關(guān)的傳統(tǒng)方法及其缺點(diǎn)，提出SPI控制的模擬開關(guān)解決方案，最后介紹同類產(chǎn)品中性能最佳的ADI SPI控制精密開關(guān)。

通道數(shù)最大化的常見問題
當(dāng)模塊開發(fā)的主要目標(biāo)是通道數(shù)最大化時，板空間就會變得很珍貴。開關(guān)是提高系統(tǒng)通道數(shù)的關(guān)鍵，但隨著開關(guān)數(shù)目增加，開關(guān)本身、邏輯線路及生成這些邏輯信號所需的器件會占用大量板空間，使可用空間減少。最終，受制于控制開關(guān)本身所需的相關(guān)因素，只能實(shí)現(xiàn)很有限的通道數(shù)。

圖1.并行控制開關(guān)4 x 8矩陣布局

從圖1可以明顯看出，很大比例的面積被串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器和數(shù)字控制線路占用，而不是被開關(guān)本身占用。對板空間的這種低效使用是很糟糕的，會大幅減少模塊中的開關(guān)數(shù)目，進(jìn)而影響系統(tǒng)通道數(shù)。

SPI開關(guān)解決方案
圖2顯示了一個4 x 8交叉點(diǎn)配置，8個四通道SPST開關(guān)位于一個6層板上。不過，這次開關(guān)是SPI控制的ADGS1412器件。像之前一樣，圖中顯示了器件尺寸、電源去耦電容和SDO上拉電阻。
該解決方案展示器件以菊花鏈形式配置。所有器件共享來自SPI接口的片選和串行時鐘數(shù)字線路，菊花鏈中的第一個器件接收串行數(shù)據(jù)。然后，該數(shù)據(jù)被傳送至鏈（像一個移位寄存器）中的所有器件。這個示例解決方案的尺寸是30 mm x 18 mm，面積為540 mm2。
以菊花鏈形式使用SPI接口可大大減少串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器和數(shù)字線路占用的板空間。采用這種開關(guān)配置，總電路板面積可減少20%，這使得通道密度大大提高。系統(tǒng)平臺也得到了簡化。當(dāng)電路板上的開關(guān)數(shù)目提高時，節(jié)省的面積隨之增加，包含數(shù)百個開關(guān)的電路板可節(jié)省50%以上的空間。
這說明在更小的面積中可以放入更多開關(guān)，相比于傳統(tǒng)串行轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器方案，同樣面積的電路板將能支持更多通道。

圖2.菊花鏈開關(guān)4 x 8矩陣布局

圖3.SPI開關(guān)和并行開關(guān)解決方案的面積對比

ADI公司的新型SPI開關(guān)系列可用來實(shí)現(xiàn)更高通道密度，如上例所示。通過創(chuàng)新的堆疊式雙芯片解決方案（圖4），ADI公司目前業(yè)界領(lǐng)先的精密開關(guān)可以利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPI模式0接口進(jìn)行配置。這意味著不僅可以節(jié)省空間，而且不會對系統(tǒng)性能造成不利影響。下面是ADI新型SPI開關(guān)的主要功能總結(jié)。

圖4.ADI公司創(chuàng)新堆疊式雙芯片解決方案

圖5.采用菊花鏈配置的兩個開關(guān)

錯誤檢測功能
當(dāng)器件處于尋址模式或突發(fā)模式時，可以檢測SPI接口上的協(xié)議和通信錯誤。有三種錯誤檢測方法，分別是SCLK錯誤計(jì)數(shù)、無效讀取和寫入地址以及最多3位的CRC錯誤檢測。這些錯誤檢測功能確保數(shù)字接口即使在惡劣環(huán)境下也能可靠工作。

ADI SPI開關(guān)系列
ADGS1412是ADI公司正在開發(fā)的SPI開關(guān)系列中的首款產(chǎn)品。得益于ADI公司開發(fā)的創(chuàng)新雙芯片解決方案，ADGS1412不僅具有與并行控制器件ADG1412相同的同類最佳的低RON性能，而且具備串行接口帶來的優(yōu)勢。
該系列將以ADI公司的高性能開關(guān)為基礎(chǔ)構(gòu)建，提供現(xiàn)有、業(yè)界領(lǐng)先的開關(guān)的SPI控制版本。表1列出了ADI新型SPI開關(guān)系列當(dāng)前和計(jì)劃發(fā)布的產(chǎn)品。產(chǎn)品型號代表何種模擬開關(guān)芯片與SPI轉(zhuǎn)并行轉(zhuǎn)換器進(jìn)行多芯片封裝，附加的S表示其為SPI控制版本。這些產(chǎn)品將在2017年陸續(xù)發(fā)布。

在高通道密度應(yīng)用中，與使用并行控制開關(guān)相比，使用SPI控制開關(guān)有很多優(yōu)勢。它能減少每個開關(guān)占用的電路板空間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)密度。這是因?yàn)樗鼫p少了所需的數(shù)字控制線路，并且不再需要其它器件來提供這些控制線路。