上海知识产权律所:常用CMOS模拟开关功能和原理 - 21世纪电子网

常用CMOS模拟开关功能和原理
[日期：2008-12-3 13:39:00] 作者：未知 来源：
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

图1 CD4066的引脚功能
2.单八路模拟开关CD4051
CD4051引脚功能见图2CD4051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=＋5VVSS=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

图2 CD4051引脚功能
表1 CD4051真值表

3.双四路模拟开关CD4052
CD4052的引脚功能见图3CD4052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
图3 CD4052的引脚功能

表2 CD4052真值表

4.三组二路模拟开关CD4053
CD4053的引脚功能见图4CD4053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
图4 CD4053的引脚功能

表3 CD4053真值表

5.十六路模拟开关CD4067
CD4067的引脚功能见图5CD4067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

图5 CD4067的引脚功能
表4 CD4067真值表

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6VMOS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

图6 单按钮音量控制器电路
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

图7 四路视频信号切换器电路
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

图8 数字控制电阻网络电阻值大小的电路
表5 该电阻网络所对应的16种阻值

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

图9 音量调节电路
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