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模擬開關工作原理及常用模擬開關介紹


模擬開關工作原理及常用模擬開關介紹

開關在電路中起接通信號或斷開信號的作用。最常見的可控開關是繼電器，當給驅動繼電器的驅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模擬開關是一種可控開關，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字信號。

　　1.四雙向模擬開關CD4066

　　CD4066的引腳功能如圖1所示。每個封裝內部有4個獨立的模擬開關，每個模擬開關有輸入、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，開關導通；當控制端加低電平時開關截止。模擬開關導通時，導通電阻為幾十歐姆；模擬開關截止時，呈現很高的阻抗，可以看成為開路。模擬開關可傳輸數字信號和模擬信號，可傳輸的模擬信號的上限頻率為40MHz。各開關間的串擾很小，典型值為－50dB。

　　2.單八路模擬開關CD4051

　　CD4051引腳功能見圖2。CD4051相當于一個單刀八擲開關，開關接通哪一通道，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電路所提供的數字信號能直接控制這種多路開關，并使這種多路開關可傳輸峰－峰值達15V的交流信號。例如，若模擬開關的供電電源VDD=＋5V，VSS=0V，當VEE=－5V時，只要對此模擬開關施加0～5V的數字控制信號，就可控制幅度范圍為－5V～＋5V的模擬信號。

表1

輸入狀態				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.雙四路模擬開關CD4052 　　CD4052的引腳功能見圖3。CD4052相當于一個雙刀四擲開關，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。 表2

輸入狀態			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

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

輸入狀態				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

5.十六路模擬開關CD4067 　　CD4067的引腳功能見圖5。CD4067相當于一個單刀十六擲開關，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。 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

模擬開關典型應用舉例


　　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就可實現對音量大小的控制。VT1的G極接有3個模擬開關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S3起開機音量復位作用，開機時，電源在S3控制端產生一短暫的正脈沖，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。F1～F6及其外圍元件組成長短脈沖識別電路。靜態時，F1、F2輸入為高電平，當較長時間按壓按鈕開關AN時，F4輸出變高，經100k電阻給3.3μF電容充電，當充電電壓超過CMOS門轉換電壓時，F5輸出由高變低，F6輸出由低變高，模擬開關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換電壓，故F2輸出仍為高電平，F3輸出低電平，模擬開關S1保持截止。當連續按動按鈕開關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換電壓，因此F6輸出一直為低。而此時F1輸出連續高低變化，經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換電壓，F2輸出變低，F3輸出變高，模擬開關S1導通，給電容充電，音量變小。由此，利用一只按鈕開關，實現了對音量的大小控制。

　　2.四路視頻信號切換器

　　四路視頻信號切換器電路見圖7。“與非”門YF3、YF4組成脈沖振蕩器，振蕩頻率由100k電位器調節。若嫌調節范圍不夠，可適當更換0.47μF電容和100k電阻。脈沖振蕩器受YF1、YF2組成的雙穩態電路的控制，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CD4017十進制計數器的時鐘，使Y0～Y3依次出現高電平，相應的四個模擬開關依次導通，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進行模擬開關控制，Y8連至Cr。依此類推，可做成更多路數的視頻信號切換器。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，則并接上相應數量的模擬開關即可。

　　3.數控電阻網絡

　　圖8示出數字控制電阻網絡電阻值大小的電路。在圖8中，CD4066的四個獨立開關分別并接在四個串接電阻上，電阻的值是按二進制位權關系選擇的。當某個開關接通時，并接在該開關上的電阻被短路，此處假設該電阻阻值R�鞷ON（RON為模擬開關的導通電阻）；當某個開關斷開時，電阻兩端阻值仍保持原阻值不變，此處假設該電阻阻值R�頡OFF（ROFF為模擬開關斷開時的電阻）。四個開關的控制端由四位二進制數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，可控制電阻網絡的電阻變化，并從其上獲得2～16種不同的電阻值。按圖8所給的電阻值，該電阻網絡所對應的16種阻值列于表5中。

表5

輸入二進制數				電阻值(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.音量調節電路

　　音量調節電路見圖9。音頻信號由Vi端輸入，經分壓電阻R11和隔直電容加到由R1～R10構成的加／減電阻網絡。CD40192為十進制加／減計數器，“與非”門YF3、YF4構成低頻振蕩器，“與非”門YF1、YF2分別為加計數端CPU和減計數端CPD的計數閘門。

　　當D1端為高電平時，閘門YF1開通，低頻脈沖經YF1加到CD40192的CPU端，使其作加法計數，輸出端Q0～Q3數據增大，使16路模擬開關的刀向低端轉換，順序接通R1～R10，接通的電阻增大，經與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YF2加到CD40192的CPD端，使其作減法計數，輸出端Q0～Q3數據減小，使16路模擬開關的刀向高端轉換，順序接通R10～R1，接通的電阻減小，經與R11分壓后，使輸出音頻信號Vo減小。