Le multiplexage est le terme générique utilisé pour décrire l’opération d’envoi d’un ou plusieurs signaux analogiques ou numériques sur une ligne de transmission commune à différents moments ou vitesses, et l’appareil que nous utilisons pour ce faire est appelé le multiplexer.

Le multiplexer, abrévié en “MUX” ou “MPX”, est un circuit logique combinatoire conçu pour commuter l’une des plusieurs lignes d’entrée vers une seule ligne de sortie commune par l’application d’un signal de contrôle. Les multiplexers fonctionnent comme des interrupteurs rotatifs à position multiple très rapides, connectant ou contrôlant plusieurs lignes d’entrée appelées “canaux”, une à la fois à la sortie.

Les multiplexers, ou MUX, peuvent être soit des circuits numériques fabriqués à partir de portes logiques à haute vitesse utilisées pour commuter des données numériques ou binaires, soit des types analogiques utilisant des transistors, des MOSFET ou des relais pour commuter l’une des entrées de tension ou de courant vers une seule sortie.

Le type de multiplexer le plus élémentaire est celui d’un interrupteur rotatif unidirectionnel comme montré.

Interrupteur de multiplexage basique

Le commutateur rotatif, également appelé commutateur en tranche, car chaque couche du commutateur est connue sous le nom de tranche, est un dispositif mécanique dont l’entrée est sélectionnée en faisant tourner un axe. En d’autres termes, le commutateur rotatif est un interrupteur manuel que vous pouvez utiliser pour sélectionner des lignes de données ou de signaux individuelles simplement en tournant ses entrées “ON” ou “OFF”. Comment pouvons-nous alors sélectionner chaque entrée de données automatiquement à l’aide d’un appareil numérique ?

Dans l’électronique numérique, les multiplexers sont également connus sous le nom de sélecteurs de données car ils peuvent “sélectionner” chaque ligne d’entrée, étant construits à partir de commutateurs analogiques individuels encapsulés dans un seul boîtier IC, contrairement aux sélecteurs de type “mécanique” tels que les interrupteurs conventionnels et les relais.

Ils sont utilisés comme une méthode de réduction du nombre de portes logiques nécessaires dans une conception de circuit, ou lorsque l’une des lignes de données ou du bus de données est requise pour transporter deux signaux numériques différents ou plus. Par exemple, un multiplexer à 8 canaux unique.

En général, la sélection de chaque ligne d’entrée dans un multiplexer est contrôlée par un ensemble supplémentaire d’entrées appelées lignes de contrôle et selon la condition binaire de ces entrées de contrôle, soit “HAUT” soit “BAS”, l’entrée de données appropriée est connectée directement à la sortie. Normalement, un multiplexer a un nombre pair de lignes d’entrée de données de 2ⁿ et un nombre d’entrées “de contrôle” qui correspondent au nombre d’entrées de données.

Notez que les multiplexers sont différents par leur fonctionnement des encodeurs. Les encodeurs peuvent commuter un motif d’entrée de n bits vers plusieurs lignes de sortie qui représentent l’équivalent de sortie codé binaire (BCD) de l’entrée active.

Nous pouvons construire un simple multiplexer de 2 lignes vers 1 ligne (2-à-1) à partir de portes logiques NAND de base, comme montré.

Conception du Multiplexer à 2 Entrées

L’entrée A de ce circuit de multiplexer simple 2-1 construit à partir de portes NAND standards agit pour contrôler quelle entrée (I₀ ou I₁) est transmise à la sortie à Q.

D’après la table de vérité ci-dessus, nous pouvons voir que lorsque l’entrée de sélection de données, A, est BAS au niveau logique 0, l’entrée I₁ passe ses données à travers le circuit de multiplexer NAND à la sortie, tandis que l’entrée I₀ est bloquée. Lorsque la sélection de données A est HAUTE au niveau logique 1, l’inverse se produit et maintenant l’entrée I₀ passe les données à la sortie Q tandis que l’entrée I₁ est bloquée.

Ainsi, par l’application d’un “0” logique ou d’un “1” logique à A, nous pouvons sélectionner l’entrée appropriée, I₀ ou I₁, le circuit agissant un peu comme un interrupteur à simple pôle double faute (SPDT).

Comme nous n’avons qu’une seule ligne de contrôle, (A), nous ne pouvons commuter que 2¹ entrées et dans cet exemple simple, le multiplexer à 2 entrées connecte l’une des deux sources de 1 bit à une sortie commune, produisant un multiplexer à 2-à-1. Nous pouvons le confirmer dans l’expression booléenne suivante.

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

Et pour notre circuit de multiplexer à 2 entrées ci-dessus, cela peut aussi être simplifié :

Q = 
A
.I₁ + A.I₀

Nous pouvons augmenter le nombre d’entrées de données à sélectionner simplement en suivant la même procédure et des circuits multiplexers plus grands peuvent être implémentés en utilisant des multiplexers à 2-à-1 plus petits comme leurs blocs de construction de base. Ainsi, pour un multiplexer à 4 entrées, nous aurions donc besoin de deux lignes de sélection de données car 4 entrées représentent 2² lignes de contrôle de données donnant un circuit avec quatre entrées, I₀, I₁, I₂, I₃ et deux lignes de sélection de données A et B comme montré.

Multiplexer Canal 4-à-1

L’expression booléenne pour ce multiplexer 4-à-1 ci-dessus avec entrées A à D et lignes de sélection de données a, b est donnée comme suit :

Q = abA + abB + abC + abD

Dans cet exemple, à un instant donné, un SEUL des quatre commutateurs analogiques est fermé, reliant uniquement l’une des lignes d’entrée A à D à la seule sortie à Q. Le commutateur qui est fermé dépend du code d’adresse d’entrée sur les lignes “a” et “b”.

Ainsi, pour cet exemple, pour sélectionner l’entrée B à la sortie à Q, l’adresse d’entrée binaire doit être “a” = logique “1” et “b” = logique “0”. Ainsi, nous pouvons montrer la sélection des données à travers le multiplexer comme une fonction des bits de sélection de données comme montré.

Sélection de ligne d’entrée du Multiplexer

Ajouter plus de lignes d’adresse de contrôle (n) permettra au multiplexer de contrôler plus d’entrées, car il peut commuter 2ⁿ entrées, mais chaque configuration de ligne de contrôle ne connectera qu’une SEULE entrée à la sortie.

Ensuite, l’implémentation de l’expression booléenne ci-dessus à l’aide de portes logiques individuelles nécessiterait l’utilisation de sept portes individuelles consistant en ET, OU et NON comme montré.

Multiplexer 4 Canaux utilisant des Portes Logiques

Le symbole utilisé dans les diagrammes logiques pour identifier un multiplexer est comme suit :

Symbole Multiplexer

Les multiplexers ne se limitent pas à commuter un nombre de lignes d’entrée ou de canaux différents vers une seule sortie commune. Il existe également des types qui peuvent commuter leurs entrées vers plusieurs sorties et avoir des arrangements tels que 4-à-2, 8-à-3 ou même 16-à-4, etc., et un exemple d’un simple multiplexer à double canal 4 entrées (4-à-2) est donné ci-dessous :

Multiplexer 4-à-2

Ici, dans cet exemple, les 4 canaux d’entrée sont commutés vers 2 lignes de sortie individuelles, mais de plus grandes configurations sont également possibles. Cette simple configuration 4-à-2 pourrait être utilisée, par exemple, pour commuter des signaux audio pour des préamplificateurs stéréo ou des mélangeurs.

Gain d’amplificateur réglable

En plus d’envoyer des données parallèles sous un format série à travers une seule ligne de transmission ou connexion, un autre usage possible des multiplexers multicanaux est dans les applications audio numériques en tant que mélangeurs ou où le gain d’un amplificateur analogique peut être contrôlé numériquement, par exemple.

Gain d’amplificateur réglable numériquement

Ici, le gain en tension de l’amplificateur opérationnel inverseur dépend du rapport entre la résistance d’entrée, R_IN et sa résistance de rétroaction, Rƒ comme déterminé dans les tutoriels sur les Op-amps.

Un seul interrupteur SPST à 4 canaux (Quad) configuré comme un multiplexer 4-à-1 est connecté en série avec les résistances pour sélectionner n’importe quelle résistance de rétroaction afin de varier la valeur de Rƒ. La combinaison de ces résistances déterminera le gain en tension global de l’amplificateur, (Av). Ensuite, le gain en tension de l’amplificateur peut être ajusté numériquement en sélectionnant simplement la combinaison appropriée de résistances.

Les multiplexers numériques sont parfois également appelés “sélecteurs de données” car ils sélectionnent les données à envoyer à la ligne de sortie et sont couramment utilisés dans les communications ou les circuits de commutation de réseau à haute vitesse comme les applications LAN et Ethernet.

Certains circuits intégrés de multiplexeurs ont un seul tampon inverseur (NON porte) connecté à la sortie pour donner une sortie logique positive (logique “1”, HAUT) sur un terminal et une sortie logique négative complémentaire (logique “0”, BAS) sur un autre terminal différent.

Il est possible de construire de simples circuits de multiplexers à partir de portes AND et OR standard comme nous l’avons vu ci-dessus, mais couramment les multiplexers/sélecteurs de données sont disponibles sous forme de conditionnements normaux comme le multiplexeur 74LS151 à 8 entrées vers 1 ligne ou le 74LS153 à deux multiplexeurs 4 entrées vers 1 ligne. Des circuits de multiplexers avec un nombre d’entrées beaucoup plus élevé peuvent être obtenus en reliant ensemble deux dispositifs plus petits.

Résumé du Multiplexer

Alors, nous pouvons voir que les multiplexers sont des circuits de commutation qui ne font que commuter ou diriger des signaux à travers eux, et étant un circuit combinatoire, ils sont sans mémoire car il n’y a pas de chemin de rétroaction de signal. Le multiplexer est un circuit électronique très utile qui a des utilisations dans de nombreuses applications différentes telles que le routage de signaux, les communications de données et les applications de contrôle de bus de données.

Lorsqu’ils sont utilisés avec un démultiplexer, des données parallèles peuvent être transmises sous une forme série via un seul lien de données tel qu’un câble en fibre optique ou une ligne téléphonique et converties à nouveau en données parallèles. L’avantage est qu’une seule ligne de données série est nécessaire au lieu de multiples lignes de données parallèles. Par conséquent, les multiplexers sont parfois appelés “sélecteurs de données”, car ils sélectionnent les données pour la ligne.

Les multiplexers peuvent également être utilisés pour commuter des signaux analogiques, numériques ou vidéo, avec le courant de commutation dans les circuits d’alimentation analogiques limité à moins de 10 mA à 20 mA par canal afin de réduire la dissipation de chaleur.

Dans le prochain tutoriel sur les dispositifs logiques combinatoires, nous examinerons le reverse du multiplexer appelé démultiplexer qui prend une seule ligne d’entrée et la connecte à plusieurs lignes de sortie.