常用CMOS模拟开关功能和原理.pdf

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1、常用 CMOS 模拟开关功能和原理（4066，4051-53） 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

2、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

3、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 05V 的数字控制信号,就可控制幅 度范围为5V5V 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

4、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

5、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

6、 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

7、 的 G 极接有 3 个模拟开关 S1S3 和一个 100F 的电容,其中 100F 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 100F 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

8、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。F1F6 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3.3F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,100F 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

9、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 3.3F 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 0.47F 电容和 100k 电 阻。脉冲振荡器受 YF1、YF2 组成的双

10、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 Y0Y3 依次出现高电平,相应的四个模拟 开关依次导通,由 Vi1Vi4 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

11、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 RRON（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 RROFF（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 216 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

12、16 种阻值列于表 5 中。 表 5 输入二进制数 电阻值(M) 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 4RON2k 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

13、加到 由 R1R10 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 Q0Q3 数据增大,使 16 路模拟开关的刀向低端转换, 顺序接通 R1R10,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

14、数,输出端 Q0Q3 数据减小,使 16 路模拟开关的刀向高端转换,顺序接通 R10R1,接通的电阻减小,经与 R11 分压后,使输出音频信号 Vo 减小。 CD4051 CD4052 CD4053 中文资料 CD4051/CC4051 是单 8 通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端 A、B、C 和 INH 输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为 4.520V 的数字信号可控制峰值 至 20V 的模拟信号。例如，若 VDD+5V，VSS0，VEE-13.5V，则 05V 的数字信 号可控制-13.54.5V 的模拟信号。这些开关电路在整个 VDD-VSS 和 VDD-VEE

15、电源范围 内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当 INH 输入端“1”时，所有的通 道截止。三位二进制信号选通 8 通道中的一通道，可连接该输入端至输出。 CD4052/CC4052 是一个差分 4 通道数字控制模拟开关， 有 A、 B 两个二进制控制输入 端和 INH 输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为 4.520V 的数字信号可控 制峰峰值至 20V 的模拟信号。例如，若 V DD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，则 05V 的 数字信号可控制-13.54.5V 的模拟信号，这些开关电路在整个 VDD-VSS 和 VDD-VEE 电 源范围内具有极低的静态

16、功耗，与控制信号的逻辑状态无关，当 INH 输入端=“1”时，所 有通道截止。二位二进制输入信号选通 4 对通道中的一通道，可连接该输入至输出。 CD4053/CC4053 是三 2 通道数字控制模拟开关，有三个独立的数字控制输入端 A、 B、C 和 INH 输入，具有低导通阻抗和低的截止漏电流。幅值为 4.520V 的数字信号可控 制峰-峰值至 20V 的数字信号。例如若 VDD+5，VSS0，VEE-13.5V，则 05V 的 数字信号可控制-13.54.5V 的模拟信号。这些开关电路在整个 VDD-VSS 和 VDDVEE 电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当 IN

17、H 输入端“1”时， 所有通道截止。控制输入为高电平时，“0”通道被选，反之，“1”通道被选。 CD4051 CD4052 CD4053 真值表 INPUT STATES 输入状态 “ON” CHANNELS “开”通道 INHIBIT 禁止 C B A CD4051B CD4052B CD4053B 0 0 0 0 0 0X, 0Y cx, bx, ax 0 0 0 1 1 1X, 1Y cx, bx, ay 0 0 1 0 2 2X, 2Y cx, by, ax 0 0 1 1 3 3X, 3Y cx, by, ay 0 1 0 0 4 cy, bx, ax 0 1 0 1 5 cy, b

18、x, ay 0 1 1 0 6 cy, by, ax 0 1 1 1 7 cy, by, ay 1 * * * NONE NONE NONE CD4051 引脚功能说明 引脚号 符号 功能 1 2 4 5 12 13 14 15 IN/OUT 输入/输出端 9 10 11 A B C 地址端 3 OUT/IN 公共输出/输入端 6 INH 禁止端 7 VEE 模拟信号接地端 8 Vss 数字信号接地端 16 VDD 电源+ CD4052 引脚功能说明 引脚号 符号 功能 1 2 4 5 IN/OUT Y 通道输入/输出端 11 12 14 15 IN/OUT X 通道输入/输出端 9 10 A

19、 B 地址端 3 OUT/IN Y 公共输出/输入端 13 OUT/IN X 公共输出/输入端 6 INH 禁止端 7 VEE 模拟信号接地端 8 Vss 数字信号接地端 16 VDD 电源+ CD4053 引脚功能说明 引脚号 符号 功能 1 2 3 5 12 13 by bx cx cy ay ax 输入/输出端 9 10 11 c b a 控制端 14 OUT/IN ax or ay 公共输出/输入端 ax or ay 15 OUT/IN bx or by 公共输出/输入端 bx or by 4 OUT/IN cx or cy 公共输出/输入端 cx or cy 6 INH 禁止端 7

20、VEE 模拟信号接地端 8 Vss 数字信号接地端 16 VDD 电源+ CD4051 引脚图 CD4052 引脚图 CD4053 引脚图 CD4051 逻辑图 CD4052 逻辑图 CD4053 逻辑图 切换时间波形图 Absolute Maximum Ratings 绝对最大额定值： DC Supply Voltage 直流供电电压 (VDD) 0.5 VDC to +18 VDC Input Voltage 输入电压 (VIN) 0.5 VDC to VDD +0.5 VDC Storage Temperature Range 储存温度范围(TS) 65 to +150 Power Di

21、ssipation 功耗 (PD) Dual-In-Line 普通双列封装 700 mW Small Outline 小外形封装 500 mW Lead Temperature 焊接温度(TL) Soldering, 10 seconds)（焊接 10 秒） 260 Recommended Operating Conditions 建议操作条件： DC Supply Voltage 直流供电电压 (VDD) +5 VDC to +15 VDC Input Voltage 输入电压 (VIN) 0V to VDD VDC Operating Temperature Range 工作温度范围 (T

22、A) CD4051BC/CD4052BC/CD4053BC 55 to +125 DC Electrical Characteristics 直流电气特性： Symbol 符号 Parameter 参数 Conditions 条件 55 +25 125 Units 单位 最 小 最大 最 小 典型 最大 最 小 最大 Control A, B, C and Inhibit 控制 A，B，C 和禁止 IIN Input VDD=15V, VEE =0V VIN =0V 0.1 105 0.1 1.0 A Current 输 入电流 VDD =15V,VIN =15V VEE =0V 0.1 10

23、5 0.1 1.0 IDD Quiescent Device Current 静态 电流 VDD = 5V 5 5 150 A VDD = 10V 10 10 300 VDD = 15V 20 20 600 Signal Inputs (VIS) and Outputs (VOS) 信号输入(VIS)和输出(VOS) RON “ON” Resistance (Peak for VEE VIS VDD) RL=10k (any channel selected) VDD = 2.5V, VEE = 2.5V or VDD =5V, VEE= 0V 800 270 1050 1300 VDD =

24、5V, VEE = 5V or VDD=10V, VEE = 0V 310 120 400 550 VDD = 7.5V, VEE =7.5V or VDD=15V, VEE = 0V 200 80 240 320 RON “ON” Resistance Between Any Two Channels RL=10k (any channel selected) VDD = 2.5V, VEE =2.5V or VDD= 5V, VEE = 0V 10 VDD = 5V VEE = 5V or VDD=10V, 10 VEE = 0V VDD = 7.5V, VEE =7.5V or VDD=

25、15V, VEE = 0V 5 “OFF” Channel Leakage Current, any channel “OFF” VDD =7.5V, VEE=7.5V O/I=7.5V, I/O=0V 50 0.01 50 500 nA “OFF” Channel Leakage Current, all channels “OFF” (Common OUT/IN) Inhibit = 7.5V CD4051 200 0.08 200 2000 nA VDD = 7.5V, VEE = 7.5V, D4052 200 0.04 200 2000 O/I = 0V I/O = 7.5V CD4

26、053 200 0.02 200 2000 DC Electrical Characteristics 直流电气特性： 符 号 Parameter 参数 Conditions 条件 55 +25 125 Units 单 位 最小 最大 最小 典型 最最最大 大 小 Control Inputs A, B, C and Inhibit 控制输入 A，B，C，禁止 VIL LOW Level Input Voltage 输入低电平电 压 VEE=VSS RL=1k to VSS IIS2 A on all OFF Channels VIS = VDD thru 1k VDD = 5V 1.5 1.

27、5 1.5 V VDD = 10V 3.0 3.0 3.0 VDD = 15V 4.0 4.0 4.0 VIH HIGH Level Input Voltage 输入高电平电 压 VDD = 5 3.5 3.5 3.5 V VDD = 10 7 7 7 VDD = 15 11 11 11 AC Electrical Characteristics 交流电气特性： Symbol 符号 Parameter 参数 Conditions 条件 VDD 最 小 典型 最大 Units 单位 tPZH, tPZL Propagation Delay Time from Inhibit to Signal

28、Output (channel turning on) 传播延迟时间，以禁止 信号输出（通道打开） VEE = VSS = 0V RL = 1 k CL = 50 pF 5V 600 1200 ns 10V 225 450 15V 160 320 tPHZ, tPLZ Propagation Delay Time from Inhibit to Signal VEE = VSS = 0V RL = 1 k CL = 50 pF 5V 210 420 ns 10V 100 200 Output (channel turning off) 传播延迟时间，以禁止 信号输出（通道关闭） 15V 75

29、150 CIN Input Capacitance Control input Signal Input (IN/OUT) 5 7.5 pF 10 15 COUT Output Capacitance 输出电容(common OUT/IN) CD4051 VEE = VSS = 0V 10V 30 pF CD4052 10V 15 CD4053 10V 8 CIOS Feedthrough Capacitance 馈电容 0.2 pF CPD Power Dissipation Capacitance 功耗电容 CD4051 110 pF CD4052 140 CD4053 70 Signal

30、 Inputs (VIS) and Outputs (VOS) 信号输入(VIS)和输出(VOS) Sine Wave Response (Distortion)正弦波响应（失 真 RL = 10 k fIS = 1 kHz VIS = 5 Vp-p VEE = VSI = 0V 10V 0.04 % Frequency Response, Channel “ON” (Sine Wave Input) RL = 1 k, VEE = 0V, VIS = 5Vp-p, 20 log10 VOS/VIS = 3 dB 10V 40 MHz Feedthrough, Channel “OFF” RL

31、 = 1 k, VEE = VSS = 0V, VIS = 5Vp-p, 20 log10 VOS/VIS = 40 dB 10V 10 MHz Crosstalk Between Any Two Channels (frequency at 40 dB) 串扰与任何两个 频道（频率为 40 分贝） RL = 1 k, VEE = VSS = 0V, VIS(A) = 5Vp-p 20 log10 VOS(B)/VIS(A) = 40 dB (Note 4) 10V 3 MHz tPHL tPLH Propagation Delay Signal Input to Signal Output

32、传 播延迟信号输入到信号输出 VEE = VSS = 0V CL = 50 pF 5V 25 55 ns 10V 15 35 15V 10 25 Control Inputs A, B, C and Inhibit 控制输入 A，B，C，禁止 Control Input to Signal Crosstalk 控制输入信号串 扰 VEE = VSS = 0V, RL = 10 k at both ends of channel Input Square Wave Amplitude = 10V 10V 65 mV (peak) tPHL, tPLH Propagation Delay Time

33、 from Address to Signal Output (channels “ON” VEE = VSS = 0V CL = 50 pF 5V 500 1000 ns or “OFF”) 传播延迟时间 从地址信号输出 （通道“开” 或“关闭” ） 本发明为一种音频信号左右声道反相检测方法， 其特征在于检测步骤如下： 获取各预设参数 值，初始化各中间变量；通过音频采集设备获得采样值，在检测时间片内，统计反相采样 次数和同相采样次数； 若反相概率大于反相概率门限， 判断当前音频信号状态 值为反相；当累计检测时间大于等于检测时间长度时，计算反相百分比；反 相百分比大于反相敏感度时判定当前音频信号状态反相； 累计反相时间大于等于反 相时间门限，确认音频信号反相；累计同相时间大于等于同相时间门限，确认 音频信号同相， 否则音频信号为临界状态。 本发明结合历史状态值和当前状态值确定最终状 态，大大减少了音频相位的随机性对检测结果稳定性的影响，保证了检测方法的准确性，适 用各种音响系统应用场合的需要。