常用CMOS模拟开关功能和原理.doc

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。
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4.5～20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。例如，若VDD＝+5V，VSS＝0，VEE＝-13.5V，则0～5V的数字信号可控制-13.5～4.5V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4.5～20V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0～5V的数字信号可控制-13.5～4.5V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4.5～20V的数字信号可控制峰-峰值至20V的数字信号。例如若VDD＝+5，VSS＝0，VEE＝-13.5V，则0～5V的数字信号可控制-13.5～4.5V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。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, bx, 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 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
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 Dissipation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 (TA)
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 Current 输入电流
VDD=15V, VEE =0V VIN =0V

−0.1

−10−5
−0.1

−1.0
μA
VDD =15V,VIN =15V VEE =0V

0.1

10−5
0.1

1.0
IDD
Quiescent Device Current静态电流
VDD = 5V

5

5

150
μA
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=10kΩ (any channel selected)
VDD = 2.5V, VEE = −2.5V or VDD =5V, VEE= 0V

800

270
1050

1300
Ω
VDD = 5V, VEE = −5V or VDD=10V, VEE = 0V

310

120
400

550
Ω
VDD = 7.5V, VEE =−7.5V or VDD=15V, VEE = 0V

200

80
240

320
Ω
ΔRON
Δ “ON” Resistance Between Any Two Channels
RL=10kΩ (any channel selected)
VDD = 2.5V, VEE =−2.5V or VDD= 5V, VEE = 0V

10

Ω
VDD = 5V VEE = −5V or VDD=10V, VEE = 0V

10

Ω
VDD = 7.5V, VEE =−7.5V or VDD=15V VEE = 0V

5

Ω
“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
CD4053

±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
最大
最小
最大
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=1kΩ to VSS IIS<2 μA on all OFF Channels VIS = VDD thru 1kΩ
VDD = 5V

1.5

1.5

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 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 kΩ CL = 50 pF
5V 

600 
1200
ns
10V

225
450
15V

160
320
tPHZ, tPLZ
Propagation Delay Time from Inhibit to Signal Output (channel turning off) 传播延迟时间，以禁止信号输出（通道关闭）
VEE = VSS = 0V RL = 1 kΩ
CL = 50 pF
5V

210 
420 
ns
10V

100
200
15V

75
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 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 kΩ  fIS = 1 kHz VIS = 5 Vp-p VEE = VSI = 0V
10V

0.04

%

Frequency Response, Channel “ON” (Sine Wave Input)
RL = 1 kΩ, VEE = 0V, VIS = 5Vp-p, 20 log10 VOS/VIS = −3 dB
10V

40

MHz

Feedthrough, Channel “OFF”
RL = 1 kΩ, 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 kΩ, 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 kΩ at both ends of channel Input Square Wave Amplitude = 10V

10V

65

mV (peak)
tPHL, tPLH
Propagation Delay Time from Address to Signal Output (channels “ON” or “OFF”) 传播延迟时间从地址信号输出（通道“开”或“关闭” ）
VEE = VSS = 0V CL = 50 pF
5V

500 
1000 
ns

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Ｐ内，统计反相采样次数ｃ１和同相采样次数ｃ２；若反相概率ｒ大于反相概率门限Ｒ，判断当前音频信号状态值Ｖ［ｎ］为反相；当累计检测时间ｔ大于等于检测时间长度Ｔ时，计算反相百分比ｓ；反相百分比ｓ大于反相敏感度Ｓ时判定当前音频信号状态反相；累计反相时间ｄ１大于等于反相时间门限Ｄ１，确认音频信号反相；累计同相时间ｄ２大于等于同相时间门限Ｄ２，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。