CD4066 to układ CMOS zawierający cztery niezależne, dwukierunkowe klucze analogowe: stan wysoki na wejściu sterującym włącza dany kanał, a niski go wyłącza. Służy do przełączania sygnałów mieszczących się między szynami zasilania VSS i VDD. Rezystancja włączonego kanału Ron zależy od zasilania i chwilowego napięcia sygnału, dlatego obciążenie wpływa zarówno na tłumienie, jak i na zniekształcenia.
W tym artykule omawiamy budowę, parametry i zastosowania poczwórnego dwukierunkowego przełącznika analogowego CD4066.
1. Co to jest CD4066?
CD4066 jest układem CMOS z rodziny CD4000. W jednej obudowie zawiera cztery niezależnie sterowane przełączniki analogowe, które mogą przewodzić sygnał w obu kierunkach.
Jeden z układów serii CD4000.
Źródło: Wikipedia.
Cztery dwukierunkowe kanały CD4066 służą do przełączania i multipleksowania sygnałów analogowych oraz cyfrowych, o ile ich napięcie pozostaje w dopuszczalnym zakresie zasilania układu.
2. Wyprowadzenia CD4066
Według noty katalogowej typowego CD4066 w obudowie 14-wyprowadzeniowej poszczególne piny pełnią poniższe funkcje. Przed montażem sprawdź rozmieszczenie wyprowadzeń dla wybranego producenta i wersji obudowy.
Piny 1, 3, 8, 11 — zaciski sygnałowe czterech przełączników. Umowne wejścia i wyjścia są elektrycznie zamienne.
Piny 10, 9, 4, 2 — drugie zaciski sygnałowe czterech dwukierunkowych przełączników.
Piny 13, 12, 6, 5 — wejścia sterujące poszczególnych kanałów CD4066.
VDD (pin 14) — dodatnia szyna zasilania układu scalonego.
VSS (pin 7) — dolna szyna zasilania, przy zasilaniu pojedynczym połączona z masą.
3. Właściwości
Do najważniejszych cech i parametrów CD4066 należą:
Rezystancja włączonego kanału Ron wynosi typowo od kilkudziesięciu do kilkuset omów, zależnie od zasilania i napięcia sygnału. Jest to orientacyjny rząd wielkości; konkretne wartości i warunki ich wyznaczania należy sprawdzić w nocie katalogowej producenta danej wersji.
Progi rozpoznawania stanów logicznych na wejściach sterujących należy sprawdzić w nocie katalogowej dla zastosowanego napięcia zasilania. Samo określenie „stan wysoki” nie oznacza dowolnego dodatniego napięcia.
Dobór obudowy i zakresu temperatury pracy wymaga sprawdzenia noty katalogowej konkretnej wersji układu.
Stan wyłączenia nie zapewnia idealnej izolacji sygnału. Przesłuch i przenikanie przez wyłączony kanał rosną wraz z częstotliwością.
Sygnał analogowy musi mieścić się w zakresie VSS…VDD. Po przekroczeniu szyn zasilania zaczynają przewodzić diody ochronne: sygnał zostaje zniekształcony, a układ może ulec uszkodzeniu.
Zasilanie wynosi typowo kilka do kilkunastu woltów; dla wersji B górna granica wynosi zwykle 15–18 V, zależnie od producenta i odmiany. Dopuszczalny zakres roboczy sprawdź w nocie katalogowej.
Każdy kanał działa jak pojedynczy łącznik SPST. Zastosowania wideo i wysokiej częstotliwości wymagają sprawdzenia pasma oraz warunków obciążenia w nocie katalogowej.
Symbol SPST
Źródło: Wikipedia.
CD4066 nie jest kluczem mocy i nie służy do przełączania prądów rzędu amperów. Dopuszczalny prąd kanału należy sprawdzić w nocie katalogowej.
Uwaga: szybsze układy z rodziny 74HC4066 mają inny zakres zasilania. Przed zastosowaniem ich jako zamiennika sprawdź notę katalogową.
4. Gdzie stosować CD4066?
Poczwórny przełącznik dwukierunkowy CD4066 często stosuje się do multipleksowania i odłączania torów sygnałowych. Może obsługiwać zarówno sygnały analogowe, jak i cyfrowe, pod warunkiem zachowania dopuszczalnych napięć.
Napięcie zasilania dobiera się do zakresu przełączanego sygnału oraz wymagań wejść sterujących, z zachowaniem ograniczeń podanych w nocie katalogowej.
Cztery kanały w jednej obudowie ułatwiają budowę układów wybierających źródło sygnału. Zasadę takiego wyboru opisuje artykuł o multiplekserach.
5. Jak podłączyć i sterować CD4066?
CD4066 pozwala niezależnie przełączać cztery tory sygnałowe za pomocą cyfrowych wejść sterujących. Po uaktywnieniu danego kanału sygnał analogowy lub cyfrowy może przepływać między jego dwoma zaciskami.
Kanały są dwukierunkowe, dlatego sygnał może przepływać w obu kierunkach.
Każdy przełącznik ma dwa równorzędne zaciski sygnałowe oraz osobny pin sterujący. Określenia „wejście” i „wyjście” wynikają wyłącznie z roli danego kanału w konkretnym obwodzie.
VDD łączy się z dodatnią szyną zasilania, a VSS z dolną szyną, która przy zasilaniu pojedynczym jest masą obwodu.
Logiczna 1 na wejściu sterującym włącza kanał i tworzy między jego zaciskami połączenie o niskiej impedancji. Logiczne 0 wyłącza kanał, a impedancja między zaciskami staje się wysoka.
Zasadę działania ilustruje poniższy obwód wykorzystujący jeden z przełączników CD4066.
Ograniczenia przykładu z silnikiem
Poniższy rysunek nie jest zalecanym schematem zasilania silnika. CD4066 nie powinien zasilać go bezpośrednio ze względu na ograniczoną obciążalność prądową. Silnik wymaga odpowiedniego stopnia wykonawczego; CD4066 może przełączać jedynie sygnał sterujący mieszczący się w zakresie VSS…VDD.
Schemat obwodu wykorzystującego jeden kanał CD4066.
Działanie obwodu
Opis zasady działania, nie wynik pomiaru ani symulacji: niski poziom logiczny wyłącza kanał CD4066, a wysoki go włącza. Zachowanie silnika zależy od osobnego stopnia wykonawczego i nie wynika z samego stanu klucza analogowego.
CD4066 nie wzmacnia sygnału ani nie modyfikuje zasilania. Pełni funkcję sterowanego elektronicznie łącznika, dlatego kilka jego kanałów można wykorzystać do budowy multipleksera.
CD4066 jako multiplekser 4×1
W drugim przykładzie CD4066 pracuje jako multiplekser cztery do jednego. Cztery tory sygnałowe są dołączane do jednego wspólnego węzła za pomocą osobnych wejść sterujących. Układ sterowania musi zagwarantować, że w danej chwili włączony będzie tylko wybrany kanał.
Sposób połączenia przedstawia poniższy schemat.
Układ multipleksera CD4066
6. Zastosowania
Poczwórny przełącznik dwukierunkowy CD4066 znajduje zastosowanie między innymi w następujących układach:
Przełączanie elementów filtrów,
Układy próbkująco-pamiętające (S&H),
Konwersja sygnałów cyfrowych na analogowe lub analogowo-cyfrowe,
4-wejściowy multiplekser w systemach elektronicznych,
Przełączanie sygnałów analogowych, korekcja fazy oraz cyfrowe sterowanie częstotliwością,
Bramki transmisyjne,
Sterowanie tłumikiem,
Implementacja logiki CMOS,
Modulatory, demodulatory i układy komutacyjne,
Przełączanie torów sygnałowych,
Multipleksowanie sygnałów cyfrowych i analogowych.
Proces multipleksowania
Źródło: Wikipedia.
7. Dlaczego Ron zmienia się podczas pracy?
Włączony klucz nie jest idealnym zwarciem. Poniższa tabela opisuje jakościowo zależności Ron oraz ich konsekwencje; nie przedstawia naszych pomiarów ani charakterystyk konkretnego egzemplarza. Dokładne wartości zależą od producenta i wersji — sprawdź kartę katalogową, uwzględniając warunki pracy.
| Zmieniany parametr | Wpływ na klucz | Znaczenie praktyczne |
|---|---|---|
| Wyższe napięcie zasilania VDD względem VSS | Ron zwykle maleje. | Maleje spadek sygnału na kluczu; nie wolno przekraczać dopuszczalnego zasilania. |
| Chwilowe napięcie sygnału | Ron zmienia się wzdłuż zakresu VSS…VDD. | Tłumienie może zmieniać się w trakcie przebiegu. |
| Mniejsza rezystancja obciążenia RL | Większa część napięcia odkłada się na Ron. | Rośnie tłumienie oraz wpływ zmienności Ron na kształt sygnału. |
Dlatego pojedyncza wartość Ron nie opisuje całego toru. Nawet gdy sygnał pozostaje między szynami zasilania, niepłaska charakterystyka Ron może powodować zniekształcenia nieliniowe. Zwiększenie zasilania zwykle pomaga zmniejszyć rezystancję kanału, lecz nadal trzeba sprawdzić charakterystykę dla wykorzystywanego zakresu sygnału.
8. Obliczanie tłumienia przez obciążenie
Ron i rezystancja obciążenia RL tworzą dzielnik napięcia. W uproszczonym modelu, pomijając impedancję źródła i pojemności, napięcie na obciążeniu wynosi:
Uwy = Uwe · RL / (RL + Ron), gdzie napięcia Uwe i Uwy podajemy w woltach, a obie rezystancje w omach. Stosunek napięć k = Uwy/Uwe jest bezwymiarowy; jego wartość w decybelach wynosi 20 · log10(k).
Założenie wyłącznie do przykładu: Ron = 100 Ω. Nie jest to wartość z noty katalogowej ani wynik pomiaru CD4066. Przyjmujemy ją jako stałą, aby pokazać sam wpływ obciążenia.
| Obciążenie RL | Uwy/Uwe — obliczone | Stosunek napięć w dB — obliczony |
|---|---|---|
| 1 kΩ | 0,909 | −0,83 dB |
| 10 kΩ | 0,990 | −0,086 dB |
| 100 kΩ | 0,999 | −0,009 dB |
| 1 MΩ | 0,9999 | −0,001 dB |
Przykładowo dla RL = 1 kΩ otrzymujemy k = 1000 Ω / (1000 Ω + 100 Ω) ≈ 0,909, czyli spadek napięcia około 9,1%. Dla RL = 10 kΩ: k = 10 000 Ω / (10 000 Ω + 100 Ω) ≈ 0,990, czyli spadek około 0,99%. Zatem RL = 10·Ron daje spadek około 9,1%, a dopiero RL ≈ 100·Ron daje około 1%.
Tabela pokazuje tłumienie przy stałym Ron. W rzeczywistym kluczu Ron zmienia się wraz z napięciem sygnału, więc zmienia się także współczynnik dzielnika: to źródło zniekształceń nieliniowych, a nie tylko stałego zmniejszenia amplitudy. Im mniejsze RL względem Ron, tym większy wpływ tej zmienności. Obciążaj wyjście wysoką impedancją; pojęcie to wyjaśnia artykuł o impedancji w obwodach.
9. Nieużywane kanały i przesłuch na PCB
Nieużywane wejścia sterujące podłącz do VDD albo VSS; nie pozostawiaj ich niepodłączonych. VSS utrzymuje klucz wyłączony, a VDD włączony. To osobna kwestia od uziemienia zacisków sygnałowych nieużywanych kanałów, które pomaga ograniczyć przenikanie zakłóceń.
Opis jakościowy, nie wynik naszych pomiarów: przy wzroście częstotliwości rośnie znaczenie pojemności pasożytniczych między kanałami i względem masy. Wyłączony klucz może wtedy przepuszczać część sygnału, a sąsiedni tor może odbierać przesłuch. Ograniczaj te efekty przez niską impedancję źródła, uziemienie nieużywanych kanałów i krótkie, oddzielone ścieżki sygnałowe. Wysoka impedancja obciążenia ogranicza straty na Ron, ale sama nie gwarantuje dobrej izolacji przy wysokich częstotliwościach.
Podsumowanie
CD4066 zawiera cztery niezależne, dwukierunkowe przełączniki analogowe sterowane poziomami logicznymi. Każdy kanał może przewodzić sygnał w obu kierunkach, co ułatwia budowę multiplekserów, układów próbkujących oraz elektronicznych przełączników audio i danych.
Jeśli potrzebujesz pomocy przy doborze przełącznika analogowego lub projekcie PCB z układem CD4066, skontaktuj się z nami.
