멀티플렉서

멀티플렉서 또는 MUX는 여러 입력 라인 중 하나를 단일 출력 라인에 연결하는 조합 논리 회로입니다. 이것은 조합 논리 회로이며, 따라서 메모리가없고 저장 및 피드백이 필요하지 않습니다. 멀티플렉서의 출력은 입력 라인에 있는 정보에만 의존합니다.

 

일반적으로 멀티플렉싱이라는 용어는 아날로그 또는 디지털일 수 있는 정보 또는 데이터를 전송하기 위해 여러 입력 라인을 단일 채널 또는 출력 라인으로 결합하는 작업을 설명합니다. 입력 라인은 제어 라인의 적용에 의해 한 번에 하나씩 출력으로 라우팅되거나 전환됩니다. 멀티플렉서는 출력으로 전환할 라인 또는 채널 중 하나를 선택하는 기계식 회전 스위치와 같습니다. 그러나 로터리 스위치와 달리 멀티플렉서의 전환은 빠르고 높은 데이터 속도를 제공합니다.

 

구성에 따라 멀티플렉서는 아날로그 또는 디지털 멀티플렉서로 분류할 수 있습니다. 디지털 멀티플렉서는 이더넷 또는 LAN 등에 사용되는 고속 디지털 로직 게이트를 사용하여 구성됩니다. 반면 아날로그 멀티플렉서는 전압 또는 전류 입력 신호를 출력 라인으로 스위칭하는 데 사용되는 MOSFET(Metal Oxide Field Effect Transistor), 트랜지스터, 릴레이 등으로 구성됩니다.

 

기본 멀티플렉싱 스위치

다음 그림에는 기본 회전식 단방향 스위치가 나와 있습니다.

그림 1: 기본 로터리 스위치(멀티플렉서)

 

회전 스위치는 입력 라인에 연결되는 서로 다른 레이어가 있는 기계 장치입니다. 레이어 또는 입력 라인 중 하나의 선택은 이러한 레이어에 부착된 샤프트를 사용하여 제어됩니다. 회전 스위치의 메커니즘은 샤프트의 회전이 레이어 사이의 출력 라인을 미끄러지게 하고 궁극적으로 회전축의 위치에 따라 입력 중 하나를 단일 출력에 연결하는 것입니다.

 

멀티플렉서는 데이터 입력 라인을 "선택"하기 때문에 디지털 전자 제품에서 "데이터 선택기"라고도 합니다. 반면에 아날로그 전자 장치에서는 전압 또는 전류 채널 중 하나를 선택하기 때문에 "채널" 선택기라고도 합니다. 이 제품은 앞서 설명한 로터리 스위치와 달리 트랜지스터 또는 MOSFET과 같은 아날로그 스위치를 사용하여 구성됩니다.

 

멀티플렉서의 목적은 데이터 또는 신호 라인의 수를 줄이는 것입니다. 예를 들어, 하나의 데이터 라인 또는 버스를 이용할 수 있고 이를 이용하여 두 개 이상의 다른 신호를 전송해야 할 때 멀티플렉싱을 적용합니다. 앞서 회전 스위치 동작에서 설명했듯이, 입력 선택 또는 전환은 회전축을 이용하여 이루어집니다. 마찬가지로, 멀티플렉서에서 입력 라인의 선택은 별도의 입력 라인을 사용하여 제어되는데, 이 라인들을 논리적으로 조합하면 입력 라인 중 하나를 선택하는 데 도움이 됩니다.

 

예를 들어, 선택 라인에서 논리적으로 "LOW"는 입력 라인-0을 선택하는 것을 의미하고, 논리적으로 "HIGH"는 입력 라인-1을 선택하는 것을 의미합니다. 데이터 입력 라인들은 보통 짝수이고 2n으로 주어집니다. 반면에, "n"은 데이터 입력 라인의 선택에 필요한 제어 입력의 수에 해당합니다.

 

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멀티플렉서 기호

다음 그림에는 멀티플렉서 기호가 표시되어 있습니다. 가장 간단한 2 대 1 멀티플렉서입니다.

그림 2: 멀티플렉서 기호

 

2:1 멀티플렉서

다음 그림에서는 2:1 멀티플렉서가 진리표와 함께 표시되었습니다.

그림 3: 2:1 멀티플렉서와 진리표 

 

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위의 2-to-1 멀티플렉서는 NAND 게이트만을 사용하여 구성됩니다. 데이터 입력 라인은 D0, & D1이며 Q는 단일 출력입니다. Selector Control Line은 입력 A로 표시됩니다. NAND 논리와 Truth Table에서, Select Input "A"가 "LOW" 또는 "0"일 때 데이터 라인 "D1"이 출력 "Q"로 선택되는 것은 명백합니다. "D1"에 존재하는 신호는 논리 회로를 통과하여 출력 "Q"에 나타납니다. 반면, 데이터 라인 "D0"은 Select Line "A"가 "LOW"로 설정되면 차단됩니다.

 

입력 선택 현상은 Select Line "A"가 "HIGH" 또는 "1"로 설정되면 역전됩니다. 데이터 라인 "D0"이 출력 "Q"와 연결되고 데이터 입력 "D1"이 차단됩니다. 간단히 Select Line "A"를 "LOW" 또는 "HIGH" 논리로 설정하면 입력 라인은 "A"의 논리 레벨에 따라 출력으로 전환될 수 있습니다. 주어진 회로는 SPDT(Single-Pole-Double-Through) 스위치 역할을 합니다.

 

하나의 (1) Select Line 즉 n=1만으로, 총 2개의 (2n = 21 = 2) 입력 라인을 전환할 수 있습니다. 설명된 회로는 2-to-1 멀티플렉서인 멀티플렉서의 가장 간단한 형태입니다. 부울 식에서 위의 논리 회로는 다음과 같이 설명될 수 있습니다:

 

단순화시 위의 방정식은 다음과 같습니다.

2 대 1 멀티플렉서는 가장 단순하거나 기본적인 형태의 멀티플렉서로 입력은 2개, 출력은 1개입니다. 멀티플렉서의 입력 수를 늘리기 위해서도 같은 절차를 따를 수 있으며 2 대 1 멀티플렉서를 상위 입력 멀티플렉서의 구성을 위한 기본 구성 요소로 사용할 수 있습니다.

 

멀티플렉서의 입력 수는 짝수이므로 2 개의 입력 멀티플렉서 이후의 다음 단계는 4 개의 입력 멀티플렉서입니다. 4 개의 입력 멀티플렉서를 위해서는 총 2 개의 (n = 2) Select Line이 필요합니다.

 

4:1 멀티플렉서

다음 그림에서는 4:1 멀티플렉서가 진리표와 함께 표시되었습니다.

그림 4: 4:1 멀티플렉서와 진리표

 

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위의 4:1 멀티플렉서에서 데이터 라인은 D입니다.0, D1, D2, 및 D3 선택 라인은 "a" 및 "b"입니다.

위에 주어진 4:1 멀티플렉서의 부울 표현식은 다음과 같습니다.

4 대 1 멀티플렉서 회로는 QPST(Quad-Pole-Single-Through) 스위치 역할을 합니다. 어느 순간에도 4개의 입력 중 하나만 출력 "Q"에 연결되고 나머지 입력은 선택 라인 "A"와 "B"의 논리 조건에 따라 차단된 상태로 유지됩니다. 예를 들어 데이터 입력 "D2"를 출력에 연결하기 위해 필요한 논리 상태는 "A=0"과 "B=1"입니다.

 

마찬가지로 다른 데이터 입력 선택도 그에 따라 선택 라인의 논리 상태를 설정하여 수행할 수 있습니다. 선택 라인의 논리 상태에 대한 데이터 라인 선택은 다음 그림에 나와 있습니다.

그림 5: Select Lines 및 Switching Positions의 논리 상태

 

 

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멀티플렉서의 입력 라인은 선택 라인을 각각 3개, 4개 등으로 늘림으로써 8개, 16개 등으로 더 늘릴 수 있습니다. 위의 멀티플렉서 회로는 NAND 논리 게이트만을 사용하여 구성됩니다. 4 대 1 멀티플렉서의 구성을 위해서는 7개의 개별 기본 논리 게이트 즉, AND, OR, NOT가 필요합니다.

그림 6: 개별 게이트를 사용하는 4:1 멀티플렉서

 

위에 표시된 2:1 및 4:1 멀티플렉서는 단일 출력만 있습니다. 2:1 또는 4:1 멀티플렉서를 복제본과 결합하여 2개의 출력 멀티플렉서 회로를 생성할 수 있습니다. 예를 들어, 논리 회로는 Select Lines가 결합된 두 개의 개별 2:1 멀티플렉서를 사용하여 구성할 수 있습니다. 이러한 멀티플렉싱 회로는 두 개의 2:1 멀티플렉서로 구성되지만 두 개의 선택 라인(결합)만 있습니다. 각 2:1 멀티플렉서는 다른 멀티플렉서의 미러 이미지가 되며 논리 회로는 아래와 같이 두 개의 출력을 생성합니다. 이를 4:2 멀티플렉서라고 합니다.

그림 7: 4:2 멀티플렉서 스위치 및 선택 다이어그램

 

더 큰 배열은 단일 채널 멀티플렉서(들)를 추가함으로써 생성될 수 있다. 이러한 다중 출력 멀티플렉서는 일반적으로 프리앰프 또는 믹서 등에서 오디오 신호를 스위칭하는 데 사용됩니다.

 

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조정 가능한 증폭기 이득 적용

멀티 입력에서 단일 라인을 통해 데이터를 전송하는 것 외에도 멀티플렉서는 다중 채널 아날로그 오디오 신호의 사전 증폭에도 사용됩니다. 다음에서는 반전 연산 증폭기가 오디오 채널에 따라 여러 피드백 경로로 표시되었습니다.

그림 8: 멀티플렉서를 사용하는 다중 채널 이득 증폭기

 

반전 연산 증폭기의 증폭 또는 게인은 피드백 저항(Rf)에 의존한다고 알려져 있으므로, 다중 이득 증폭 회로는 다중 피드백 저항 경로 중 하나를 한 번에 선택함으로써 달성될 수 있습니다. 이를 달성하기 위해 다중화기는 위의 그림과 같이 피드백 경로에 사용될 수 있습니다.

 

Select Line에 따라 피드백 경로가 선택되고 op-amp의 게인이 결정됩니다. 입력 오디오 신호의 게인은 궁극적으로 op-amp의 피드백 저항을 설정하는 Select Line에 따라 설정됩니다. 멀티플렉서는 개별 데이터 라인을 선택할 수 있는 기능 때문에 "데이터 선택기"라고도 불립니다. 디지털 통신에서 이들은 LAN이나 이더넷 스위치와 같이 단일 전송 라인을 통한 다중 입력 데이터 전송에 사용됩니다.

 

멀티플렉서는 TTL: 74LS1518 (Single 8-to-1), 74LS53 (Dual 4-to-1) 멀티플렉서 등과 같은 상용 IC 패키지에서 일반적으로 사용할 수 있습니다. 멀티플렉서의 입력 수는 앞서 언급한 TTL 장치를 캐스케이드(cascading)함으로써 증가할 수 있습니다. 대부분의 상용 IC 패키지에는 비반전 출력 외에 반전된 "NOT" 출력이 함께 제공됩니다. 따라서 입력 데이터 신호의 보완된 출력 또한 터미널에서 이용할 수 있습니다.