CMOS模擬開關(guān)原理及功能分析

開關(guān)在電路中起接通信號或斷開信號的作用。最常見的可控開關(guān)是繼電器,當給驅(qū)動繼電器的驅(qū)動電路加高電平或低電平時,繼電器就吸合或釋放,其觸點接通或斷開電路。CMOS模擬開關(guān)是一種可控開關(guān),它不象繼電器那樣可以用在大電流、高電壓場合,只適于處理幅度不超過其工作電壓、電流較小的模擬或數(shù)字信號。 　　

一、常用CMOS模擬開關(guān)引腳功能和工作原理
　　
1.四雙向模擬開關(guān)CD4066
　　
CD4066的引腳功能如圖1所示。每個封裝內(nèi)部有4個獨立的模擬開關(guān),每個模擬開關(guān)有輸入、輸出、控制三個端子,其中輸入端和輸出端可互換。當控制端加高電平時,開關(guān)導通;當控制端加低電平時開關(guān)截止。模擬開關(guān)導通時,導通電阻為幾十歐姆;模擬開關(guān)截止時,呈現(xiàn)很高的阻抗,可以看成為開路。模擬開關(guān)可傳輸數(shù)字信號和模擬信號,可傳輸?shù)哪M信號的上限頻率為40MHz。各開關(guān)間的串擾很小,典型值為－50dB。

圖1 CD4066的引腳功能

　　
2.單八路模擬開關(guān)CD4051
　　
CD4051引腳功能見圖2。CD4051相當于一個單刀八擲開關(guān),開關(guān)接通哪一通道,由輸入的3位地址碼ABC來決定。其真值表見表1。“INH”是禁止端,當“INH”=1時,各通道均不接通。此外,CD4051還設(shè)有另外一個電源端VEE,以作為電平位移時使用,從而使得通常在單組電源供電條件下工作的CMOS電路所提供的數(shù)字信號能直接控制這種多路開關(guān),并使這種多路開關(guān)可傳輸峰－峰值達15V的交流信號。例如,若模擬開關(guān)的供電電源VDD=＋5V,VSS=0V,當VEE=－5V時,只要對此模擬開關(guān)施加0～5V的數(shù)字控制信號,就可控制幅度范圍為－5V～＋5V的模擬信號。

圖2 CD4051引腳功能

表1 CD4051真值表

　　
3.雙四路模擬開關(guān)CD4052
　　
CD4052的引腳功能見圖3。CD4052相當于一個雙刀四擲開關(guān),具體接通哪一通道,由輸入地址碼AB來決定。其真值表見表2。

圖3 CD4052的引腳功能

表2 CD4052真值表

　　
4.三組二路模擬開關(guān)CD4053
　　
CD4053的引腳功能見圖4。CD4053內(nèi)部含有3組單刀雙擲開關(guān),3組開關(guān)具體接通哪一通道,由輸入地址碼ABC來決定。其真值表見表3。

圖4 CD4053的引腳功能

表3 CD4053真值表

　　
5.十六路模擬開關(guān)CD4067
　　
CD4067的引腳功能見圖5。CD4067相當于一個單刀十六擲開關(guān),具體接通哪一通道,由輸入地址碼ABCD來決定。其真值表見表4。

圖5 CD4067的引腳功能

表4 CD4067真值表

　　
二、典型應用舉例
　　
1.單按鈕音量控制器
　　
單按鈕音量控制器電路見圖6。VMOS管VT1作為一個可變電阻并接在音響裝置的音量電位器輸出端與地之間。VT1的D極和S極之間的電阻隨VGS成反比變化,因此控制VGS就可實現(xiàn)對音量大小的控制。VT1的G極接有3個模擬開關(guān)S1～S3和一個100μF的電容,其中100μF電容起電壓保持作用。由于VMOS管的G極和S極之間的電阻極高,故100μF電容上的電壓可長時間基本保持不變。模擬開關(guān)S1為電容提供充電回路,當S1導通時,電源通過S1給電容充電,電容上電壓不斷增高,使VT1導通電阻越來越小,使音量也越來越小。模擬開關(guān)S2為電容提供放電回路,當S2導通時,電容通過S2放電,電容上電壓不斷下降,使音量越來越大。模擬開關(guān)S3起開機音量復位作用,開機時,電源在S3控制端產(chǎn)生一短暫的正脈沖,使S3導通,由于與S3連接的電阻較小,故使電容很快充到一定的電壓,使起始音量處于較小的狀態(tài)。F1～F6及其外圍元件組成長短脈沖識別電路。靜態(tài)時,F1、F2輸入為高電平,當較長時間按壓按鈕開關(guān)AN時,F4輸出變高,經(jīng)100k電阻給3.3μF電容充電,當充電電壓超過CMOS門轉(zhuǎn)換電壓時,F5輸出由高變低,F6輸出由低變高,模擬開關(guān)S2導通,100μF電容放電,音量變大。與此同時,F1輸出也變高,也給電容充電,但F1輸出的一次正跳變不足以使電容上電壓超過轉(zhuǎn)換電壓,故F2輸出仍為高電平,F3輸出低電平,模擬開關(guān)S1保持截止。當連續(xù)按動按鈕開關(guān)AN時,F4輸出也不斷變化,輸出為高時,給電容充電,而輸出變低時,電容又很快通過二極管VD3放電,故電容上電壓總是達不到轉(zhuǎn)換電壓,因此F6輸出一直為低。而此時F1輸出連續(xù)高低變化,經(jīng)二極管整流不斷給電容充電,使3.3μF電容上電壓迅速達到轉(zhuǎn)換電壓,F2輸出變低,F3輸出變高,模擬開關(guān)S1導通,給電容充電,音量變小。由此,利用一只按鈕開關(guān),實現(xiàn)了對音量的大小控制。

圖6 單按鈕音量控制器電路

　

2.四路視頻信號切換器

　　
四路視頻信號切換器電路見圖7?！芭c非”門YF3、YF4組成脈沖振蕩器,振蕩頻率由100k電位器調(diào)節(jié)。若嫌調(diào)節(jié)范圍不夠,可適當更換0.47μF電容和100k電阻。脈沖振蕩器受YF1、YF2組成的雙穩(wěn)態(tài)電路的控制,按S1時,YF1輸出低電平,脈沖振蕩器停振;按S2時,YF1輸出高電平,脈沖振蕩器開始振蕩。脈沖振蕩器的輸出作為CD4017十進制計數(shù)器的時鐘,使Y0～Y3依次出現(xiàn)高電平,相應的四個模擬開關(guān)依次導通,由Vi1～Vi4輸入的視頻信號被依次切換至輸出端,完成了四路視頻信號的切換。顯然,增加一片CD4066可做成八路視頻信號切換器,相應地,由Y0～Y7進行模擬開關(guān)控制,Y8連至Cr。依此類推,可做成更多路數(shù)的視頻信號切換器。而且,輸入、輸出也可以是其它形式的信號。如要求視頻、音頻信號同傳,則并接上相應數(shù)量的模擬開關(guān)即可。

圖7 四路視頻信號切換器電路

　　
3.數(shù)控電阻網(wǎng)絡(luò)
　　
圖8示出數(shù)字控制電阻網(wǎng)絡(luò)電阻值大小的電路。在圖8中,CD4066的四個獨立開關(guān)分別并接在四個串接電阻上,電阻的值是按二進制位權(quán)關(guān)系選擇的。當某個開關(guān)接通時,并接在該開關(guān)上的電阻被短路,此處假設(shè)該電阻阻值R?RON（RON為模擬開關(guān)的導通電阻）;當某個開關(guān)斷開時,電阻兩端阻值仍保持原阻值不變,此處假設(shè)該電阻阻值R?ROFF（ROFF為模擬開關(guān)斷開時的電阻）。四個開關(guān)的控制端由四位二進制數(shù)A、B、C、D控制,因此,在A、B、C、D端輸入不同的四位二進制數(shù),可控制電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻變化,并從其上獲得2～16種不同的電阻值。按圖8所給的電阻值,該電阻網(wǎng)絡(luò)所對應的16種阻值列于表5中。

圖8 數(shù)字控制電阻網(wǎng)絡(luò)電阻值大小的電路

表5 該電阻網(wǎng)絡(luò)所對應的16種阻值

　　
4.音量調(diào)節(jié)電路
　　
音量調(diào)節(jié)電路見圖9。音頻信號由Vi端輸入,經(jīng)分壓電阻R11和隔直電容加到由R1～R10構(gòu)成的加／減電阻網(wǎng)絡(luò)。CD40192為十進制加／減計數(shù)器,“與非”門YF3、YF4構(gòu)成低頻振蕩器,“與非”門YF1、YF2分別為加計數(shù)端CPU和減計數(shù)端CPD的計數(shù)閘門。

圖9 音量調(diào)節(jié)電路

　　
當D1端為高電平時,閘門YF1開通,低頻脈沖經(jīng)YF1加到CD40192的CPU端,使其作加法計數(shù),輸出端Q0～Q3數(shù)據(jù)增大,使16路模擬開關(guān)的刀向低端轉(zhuǎn)換,順序接通R1～R10,接通的電阻增大,經(jīng)與R11分壓后,使輸出音頻信號Vo增大;當D2端為高電平時,閘門YF2開通,低頻脈沖經(jīng)YF2加到CD40192的CPD端,使其作減法計數(shù),輸出端Q0～Q3數(shù)據(jù)減小,使16路模擬開關(guān)的刀向高端轉(zhuǎn)換,順序接通R10～R1,接通的電阻減小,經(jīng)與R11分壓后,使輸出音頻信號Vo減小。