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常用CMOS模拟开关功能和原理(模拟开关,4051-53)

常用CMOS模拟开关功能和原理(模拟开关,4051-53)

 

【字体: 】

开关在电路中起接通信号或断开信号的作用。最常见的可控开关是继电器,当给驱动继电器的驱动电路加高电平或低电平时,继电器就吸合或释放,其触点接通或断开电路。cmos模拟开关是一种可控开关,它不象继电器那样可以用在大电流、高电压场合,只适于处理幅度不超过其工作电压、电流较小的模拟或数字信号。

一、常用cmos模拟开关引脚功能和工作原理

  1.四双向模拟开关cd4066

  cd4066的引脚功能如图1所示。每个封装内部有4个独立的模拟开关,每个模拟开关有输入、输出、控制三个端子,其中输入端和输出端可互换。当控制端加高电平时,开关导通;当控制端加低电平时开关截止。模拟开关导通时,导通电阻为几十欧姆;模拟开关截止时,呈现很高的阻抗,可以看成为开路。模拟开关可传输数字信号和模拟信号,可传输的模拟信号的上限频率为40mhz。各开关间的串扰很小,典型值为-50db。

  2.单八路模拟开关cd4051

  cd4051引脚功能见图2。cd4051相当于一个单刀八掷开关,开关接通哪一通道,由输入的3位地址码abc来决定。其真值表见表1。“inh”是禁止端,当“inh”=1时,各通道均不接通。此外,cd4051还设有另外一个电源端vee,以作为电平位移时使用,从而使得通常在单组电源供电条件下工作的cmos电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关,并使这种多路开关可传输峰-峰值达15v的交流信号。例如,若模拟开关的供电电源vdd=+5v,vss=0v,当vee=-5v时,只要对此模拟开关施加0~5v的数字控制信号,就可控制幅度范围为-5v~+5v的模拟信号。

表1

输入状态

接通通道

inh

c

b

a

0

0

0

0

“0”

0

0

0

1

“1”

0

0

1

0

“2”

0

0

1

1

“3”

0

1

0

0

“4”

0

1

0

1

“5”

0

1

1

0

“6”

0

1

1

1

“7”

1

均不接通

  3.双四路模拟开关cd4052

  cd4052的引脚功能见图3。cd4052相当于一个双刀四掷开关,具体接通哪一通道,由输入地址码ab来决定。其真值表见表2。

表2

输入状态

接通通道

inh

b

a

0

0

0

“0”x、“0”y

0

0

1

“1”x、“1”y

0

1

0

“2”x、“2”y

0

1

1

“3”x、“3”y

1

均不接通

  4.三组二路模拟开关cd4053

  cd4053的引脚功能见图4。cd4053内部含有3组单刀双掷开关,3组开关具体接通哪一通道,由输入地址码abc来决定。其真值表见表3。

表3

输入状态

接通通道

inh

c

b

a

0

0

0

0

cx、bx、ax

0

0

0

1

cx、bx、ay

0

0

1

0

cx、by、ax

0

0

1

1

cx、by、ay

0

1

0

0

cy、bx、ax

0

1

0

1

cy、bx、ay

0

1

1

0

cy、by、ax

0

1

1

1

cy、by、ay

1

均不接通

  5.十六路模拟开关cd4067

  cd4067的引脚功能见图5。cd4067相当于一个单刀十六掷开关,具体接通哪一通道,由输入地址码abcd来决定。其真值表见表4。

表4

d

c

b

a

inh

接通通道

0

0

0

0

0

“0”

0

0

0

1

0

“1”

0

0

1

0

0

“2”

0

0

1

1

0

“3”

0

1

0

0

0

“4”

0

1

0

1

0

“5”

0

1

1

0

0

“6”

0

1

1

1

0

“7”

1

0

0

0

0

“8”

1

0

0

1

0

“9”

1

0

1

0

0

“10”

1

0

1

1

0

“11”

1

1

0

0

0

“12”

1

1

0

1

0

“13”

1

1

1

0

0

“14”

1

1

1

1

0

“15”

1

均不接通

二、典型应用举例

  1.单按钮音量控制器

  单按钮音量控制器电路见图6。vmos管vt1作为一个可变电阻并接在音响装置的音量电位器输出端与地之间。vt1的d极和s极之间的电阻随vgs成反比变化,因此控制vgs就可实现对音量大小的控制。vt1的g极接有3个模拟开关s1~s3和一个100μf的电容,其中100μf电容起电压保持作用。由于vmos管的g极和s极之间的电阻极高,故100μf电容上的电压可长时间基本保持不变。模拟开关s1为电容提供充电回路,当s1导通时,电源通过s1给电容充电,电容上电压不断增高,使vt1导通电阻越来越小,使音量也越来越小。模拟开关s2为电容提供放电回路,当s2导通时,电容通过s2放电,电容上电压不断下降,使音量越来越大。模拟开关s3起开机音量复位作用,开机时,电源在s3控制端产生一短暂的正脉冲,使s3导通,由于与s3连接的电阻较小,故使电容很快充到一定的电压,使起始音量处于较小的状态。f1~f6及其外围元件组成长短脉冲识别电路。静态时,f1、f2输入为高电平,当较长时间按压按钮开关an时,f4输出变高,经100k电阻给3.3μf电容充电,当充电电压超过cmos门转换电压时,f5输出由高变低,f6输出由低变高,模拟开关s2导通,100μf电容放电,音量变大。与此同时,f1输出也变高,也给电容充电,但f1输出的一次正跳变不足以使电容上电压超过转换电压,故f2输出仍为高电平,f3输出低电平,模拟开关s1保持截止。当连续按动按钮开关an时,f4输出也不断变化,输出为高时,给电容充电,而输出变低时,电容又很快通过二极管vd3放电,故电容上电压总是达不到转换电压,因此f6输出一直为低。而此时f1输出连续高低变化,经二极管整流不断给电容充电,使3.3μf电容上电压迅速达到转换电压,f2输出变低,f3输出变高,模拟开关s1导通,给电容充电,音量变小。由此,利用一只按钮开关,实现了对音量的大小控制。

  2.四路视频信号切换器

  四路视频信号切换器电路见图7。“与非”门yf3、yf4组成脉冲振荡器,振荡频率由100k电位器调节。若嫌调节范围不够,可适当更换0.47μf电容和100k电阻。脉冲振荡器受yf1、yf2组成的双稳态电路的控制,按s1时,yf1输出低电平,脉冲振荡器停振;按s2时,yf1输出高电平,脉冲振荡器开始振荡。脉冲振荡器的输出作为cd4017十进制计数器的时钟,使y0~y3依次出现高电平,相应的四个模拟开关依次导通,由vi1~vi4输入的视频信号被依次切换至输出端,完成了四路视频信号的切换。显然,增加一片cd4066可做成八路视频信号切换器,相应地,由y0~y7进行模拟开关控制,y8连至cr。依此类推,可做成更多路数的视频信号切换器。而且,输入、输出也可以是其它形式的信号。如要求视频、音频信号同传,则并接上相应数量的模拟开关即可。

  3.数控电阻网络

  图8示出数字控制电阻网络电阻值大小的电路。在图8中,cd4066的四个独立开关分别并接在四个串接电阻上,电阻的值是按二进制位权关系选择的。当某个开关接通时,并接在该开关上的电阻被短路,此处假设该电阻阻值rron(ron为模拟开关的导通电阻);当某个开关断开时,电阻两端阻值仍保持原阻值不变,此处假设该电阻阻值rroff(roff为模拟开关断开时的电阻)。四个开关的控制端由四位二进制数a、b、c、d控制,因此,在a、b、c、d端输入不同的四位二进制数,可控制电阻网络的电阻变化,并从其上获得2~16种不同的电阻值。按图8所给的电阻值,该电阻网络所对应的16种阻值列于表5中。

表5

输入二进制数

电阻值(mω)

d

c

b

a

0

0

0

0

3.75

0

0

0

1

3.50

0

0

1

0

3.25

0

0

1

1

3.00

0

1

0

0

2.75

0

1

0

1

2.50

0

1

1

0

2.25

0

1

1

1

2.00

0

0

0

0

1.75

1

0

0

1

1.50

1

0

1

0

1.25

1

0

1

1

1.00

1

1

0

0

0.75

1

1

0

1

0.50

1

1

1

0

0.25

1

1

1

1

4×ron≈2kω

  4.音量调节电路

  音量调节电路见图9。音频信号由vi端输入,经分压电阻r11和隔直电容加到由r1~r10构成的加/减电阻网络。cd40192为十进制加/减计数器,“与非”门yf3、yf4构成低频振荡器,“与非”门yf1、yf2分别为加计数端cpu和减计数端cpd的计数闸门。

  当d1端为高电平时,闸门yf1开通,低频脉冲经yf1加到cd40192的cpu端,使其作加法计数,输出端q0~q3数据增大,使16路模拟开关的刀向低端转换,顺序接通r1~r10,接通的电阻增大,经与r11分压后,使输出音频信号vo增大;当d2端为高电平时,闸门yf2开通,低频脉冲经yf2加到cd40192的cpd端,使其作减法计数,输出端q0~q3数据减小,使16路模拟开关的刀向高端转换,顺序接通r10~r1,接通的电阻减小,经与r11分压后,使输出音频信号vo减小。

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