Circuito multiplexor y cómo funciona, tipos y aplicaciones

¿Qué es un Multiplexor?

Un multiplexor, abreviado como «MUX» o «MPX», es un dispositivo, circuito lógico combinatorio, que permite seleccionar una o más señales de entrada analógicas o digitales de baja velocidad, combinarlas y transmitirlas a mayor velocidad en un único medio compartido o dentro de un único dispositivo compartido. Así, varias señales pueden compartir un único dispositivo o conductor de transmisión, como un cable de cobre o un cable de fibra óptica. Un MUX funciona como un conmutador de entrada múltiple y salida única.

En las telecomunicaciones, las señales combinadas, analógicas o digitales, se consideran una señal de alta velocidad de salida única transmitida por varios canales de comunicación mediante un método o técnica de multiplexación particular. Con dos señales de entrada y una de salida, el dispositivo se denomina multiplexor 2 a 1; con cuatro señales de entrada es un multiplexor 4 a 1; etc.

Los multiplexores funcionan como interruptores rotativos de posición múltiple de acción muy rápida que conectan o controlan varias líneas de entrada llamadas «canales», una a una, a la salida.

Los multiplexores, o MUX, pueden ser circuitos digitales hechos de puertas lógicas de alta velocidad usadas para conmutar datos digitales o binarios o pueden ser de tipo analógico usando transistores, MOSFET o relés para conmutar una de las entradas de voltaje o corriente a través de una sola salida.

El tipo más básico de dispositivo multiplexor es el de un conmutador giratorio unidireccional.

En el caso de las señales analógicas en las telecomunicaciones (y en el procesamiento de señales), un multiplexor por división de tiempo (TDM) puede seleccionar múltiples muestras de señales analógicas separadas y combinarlas en una señal analógica de banda ancha con modulación de amplitud de pulso (PAM).

En el caso de las señales digitales en las telecomunicaciones en una red informática o con vídeo digital, se pueden combinar o multiplexar varias corrientes de datos de velocidad binaria variable de señales de entrada (utilizando la comunicación en modo de paquetes) en una señal de ancho de banda constante. Con un método alternativo que utiliza una MDT, se puede multiplexar un número limitado de corrientes de datos de velocidad binaria constante de señales de entrada en una corriente de datos de velocidad binaria más alta.

Un multiplexor requiere un demultiplexor para completar el proceso, es decir, para separar las señales de multiplexación transportadas por el único medio o dispositivo compartido.

A menudo un multiplexor y un demultiplexor se combinan en un solo dispositivo (también llamado a menudo simplemente multiplexor) permitiendo que el dispositivo procese tanto las señales entrantes como las salientes. Alternativamente, la salida única de un multiplexor puede conectarse a la entrada única de un demultiplexor a través de un solo canal. Cualquiera de los dos métodos se utiliza a menudo como medida de ahorro de costes. Dado que la mayoría de los sistemas de comunicación transmiten en ambas direcciones, se necesitará el dispositivo único combinado, o dos dispositivos separados (en el último ejemplo), en ambos extremos de la línea de transmisión.

Tipos de Multiplexor

• Multiplexación inversa (IMUX)
• Multiplexación por División de Longitud de Onda (WDM)
• Multiplexación por División de Longitud de Onda Densa (DWDM)
• Multiplexación por División de Longitud de Onda Convencional (CWDM)
• Multiplexor óptico reconfigurable Add-Drop (ROADM)
• Multiplexación por División de Frecuencias (FDM)
• Multiplexación por División de Frecuencia Ortogonal (OFDM)
• Agregar/Dejar Multiplexación (ADM)

Conmutador de multiplexación básica

El interruptor giratorio, también llamado interruptor de oblea, ya que cada capa del interruptor se conoce como oblea, es un dispositivo mecánico cuya entrada se selecciona girando un eje. En otras palabras, el interruptor giratorio es un interruptor manual que se puede utilizar para seleccionar datos individuales o líneas de señal simplemente girando sus entradas «ON» o «OFF». Entonces, ¿cómo podemos seleccionar cada entrada de datos automáticamente usando un dispositivo digital.

En la electrónica digital, los multiplexores también se conocen como selectores de datos porque pueden «seleccionar» cada línea de entrada, se construyen a partir de interruptores analógicos individuales encajados en un solo paquete de IC, a diferencia de los selectores de tipo «mecánico» como los interruptores y relés convencionales normales.

Se utilizan como un método para reducir el número de puertas lógicas necesarias en un diseño de circuito o cuando se requiere una sola línea o bus de datos para transportar dos o más señales digitales diferentes. Por ejemplo, un único multiplexor de 8 canales.

Generalmente, la selección de cada línea de entrada en un multiplexor se controla mediante un conjunto adicional de entradas denominadas líneas de control y según la condición binaria de estas entradas de control, ya sea «ALTA» o «BAJA», la entrada de datos apropiada se conecta directamente a la salida. Normalmente, un multiplexor tiene un número par de 2n líneas de entrada de datos y un número de entradas de «control» que se corresponden con el número de entradas de datos.

Nótese que los multiplexores son diferentes en su funcionamiento a los codificadores. Los codificadores son capaces de cambiar un patrón de entrada de n-bit a múltiples líneas de salida que representan el equivalente de salida codificado binario (BCD) de la entrada activa.

Podemos construir un multiplexor simple de 2 líneas a 1 línea (2 a 1) a partir de puertas NAND de lógica básica, como se muestra.

Diseño del multiplexor de 2 entradas

La entrada A de este simple circuito multiplexor de 2-1 líneas construido a partir de compuertas NAND estándar actúa para controlar qué entrada ( I0 o I1 ) pasa a la salida en Q.

De la tabla de verdad anterior, podemos ver que cuando la entrada de selección de datos, A es BAJA en la lógica 0, la entrada I1 pasa sus datos a través del circuito multiplexor de puertas NAND a la salida, mientras que la entrada I0 está bloqueada. Cuando la selección de datos A es ALTA en la lógica 1, ocurre lo contrario y ahora la entrada I0 pasa sus datos a la salida Q mientras que la entrada I1 está bloqueada.

Así que por la aplicación de un «0» lógico o un «1» lógico en A podemos seleccionar la entrada apropiada, I0 o I1 con el circuito actuando un poco como un interruptor unipolar de doble tiro (SPDT).

Como sólo tenemos una línea de control, (A) entonces sólo podemos conmutar 21 entradas y en este simple ejemplo, el multiplexor de 2 entradas conecta una de las dos fuentes de 1 bit a una salida común, produciendo un multiplexor de 2 a 1 línea. Podemos confirmar esto en la siguiente expresión booleana.

Q = A.I0.I1 + A.I0.I1 + A.I0.I1 + A.I0.I1

y para nuestro circuito multiplexor de 2 entradas de arriba, esto también puede simplificarse:

Q = A.I1 + A.I0

Podemos aumentar el número de entradas de datos a seleccionar más simplemente siguiendo el mismo procedimiento y se pueden implementar circuitos multiplexores más grandes utilizando multiplexores más pequeños 2 a 1 como sus bloques de construcción básicos. Por lo tanto, para un multiplexor de 4 entradas necesitaríamos dos líneas de selección de datos, ya que 4 entradas representan 22 líneas de control de datos que dan un circuito con cuatro entradas, I0, I1, I2, I3 y dos líneas de selección de datos A y B como se muestra.

Multiplexor de canales 4 a 1

La expresión booleana para este Multiplexor 4-a-1 de arriba con las entradas A a D y las líneas de selección de datos a, b se da como:

Q = abA + abB + abC + abD

En este ejemplo, en un momento dado, sólo UNO de los cuatro interruptores analógicos está cerrado, conectando sólo una de las líneas de entrada A a D a la única salida en Q. La decisión de qué interruptor está cerrado depende del código de entrada de dirección de las líneas «a» y «b».

Así, para este ejemplo, para seleccionar la entrada B a la salida en Q, la dirección de la entrada binaria tendría que ser «a» = «1» lógico y «b» = «0» lógico. Así podemos mostrar la selección de los datos a través del multiplexor en función de los bits de selección de datos como se muestra.

Selección de la línea de entrada del multiplexor

Añadiendo más líneas de dirección de control, (n) permitirá al multiplexor controlar más entradas ya que puede conmutar 2n entradas pero cada configuración de línea de control conectará sólo UNA entrada a la salida.

Entonces la implementación de la expresión booleana anterior utilizando puertas lógicas individuales requeriría el uso de siete puertas individuales que consisten en puertas Y, O y NO como se muestra.

Multiplexor de 4 canales usando Puertas Lógicas

El símbolo utilizado en los diagramas lógicos para identificar un multiplexor es el siguiente:

Símbolo del multiplexor

Los multiplexores no se limitan a conmutar varias líneas o canales de entrada diferentes a una única salida común. También hay tipos que pueden conmutar sus entradas a múltiples salidas y tienen arreglos o configuraciones de 4 a 2, 8 a 3 o incluso 16 a 4 etc. y a continuación se da un ejemplo de un multiplexor simple de 4 entradas de doble canal (4 a 2):

Multiplexor de 4 a 2 canales

Aquí en este ejemplo los 4 canales de entrada son cambiados a 2 líneas de salida individuales pero también es posible hacer arreglos más grandes. Esta sencilla configuración de 4 a 2 podría utilizarse, por ejemplo, para conmutar las señales de audio para preamplificadores o mezcladores estéreo.

Ganancia del amplificador ajustable

Además de enviar datos paralelos en formato serie por una sola línea o conexión de transmisión, otro posible uso de los multiplexores multicanal es en aplicaciones de audio digital como mezcladores o donde la ganancia de un amplificador analógico puede controlarse digitalmente, por ejemplo.

Ganancia de amplificador ajustable digitalmente

Aquí, la ganancia de voltaje del amplificador operacional invertido depende de la relación entre la resistencia de entrada, RIN y su resistencia de retroalimentación, Rƒ como se determina en los tutoriales de Op-amp.

Un único conmutador SPST de 4 canales (cuádruple) configurado como multiplexor de 4 a 1 canales se conecta en serie con las resistencias para seleccionar cualquier resistencia de retroalimentación para variar el valor de Rƒ. La combinación de estas resistencias determinará la ganancia de voltaje total del amplificador, (Av). Luego la ganancia de voltaje del amplificador puede ser ajustada digitalmente simplemente seleccionando la combinación de resistencias apropiada.

Los multiplexores digitales a veces también se denominan «selectores de datos», ya que seleccionan los datos que se enviarán a la línea de salida y se utilizan comúnmente en las comunicaciones o en los circuitos de conmutación de redes de alta velocidad, como las aplicaciones LAN y Ethernet.

Algunos IC multiplexores tienen un solo búfer de inversión (NO una puerta) conectado a la salida para dar una salida lógica positiva (lógica «1», ALTA) en un terminal y una salida lógica negativa complementaria (lógica «0», BAJA) en otro terminal diferente.

Es posible hacer circuitos multiplexores simples a partir de puertas AND y OR estándar como hemos visto anteriormente, pero comúnmente los multiplexores/seleccionadores de datos están disponibles como paquetes estándar de c.i., como el multiplexor común TTL 74LS151 de 8 entradas a 1 línea o el multiplexor dual TTL 74LS153 de 4 entradas a 1 línea. Los circuitos multiplexores con un número mucho mayor de entradas pueden obtenerse conectando en cascada dos o más dispositivos más pequeños.

Resumen

Entonces podemos ver que los multiplexores son circuitos de conmutación que sólo conmutan o enrutan las señales a través de sí mismos, y al ser un circuito de combinación no tienen memoria ya que no hay una ruta de retroalimentación de la señal. El multiplexor es un circuito electrónico muy útil que tiene usos en muchas aplicaciones diferentes como el enrutamiento de señales, comunicaciones de datos y aplicaciones de control de buses de datos.

Cuando se utiliza con un demultiplexor, los datos paralelos pueden transmitirse en serie a través de un único enlace de datos, como un cable de fibra óptica o una línea telefónica, y convertirse de nuevo en datos paralelos. La ventaja es que sólo se necesita una línea de datos en serie en lugar de múltiples líneas de datos paralelas. Por ello, los multiplexores se denominan a veces «selectores de datos», ya que seleccionan los datos para la línea.

Los multiplexores también pueden utilizarse para conmutar señales analógicas, digitales o de vídeo, limitando la corriente de conmutación en los circuitos de energía analógica a menos de 10mA a 20mA por canal, a fin de reducir la disipación de calor.