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第四章常用CMOS电路性能特点及其应用一、CMOS传输门（模拟开关）•电路结构：CCV2V1UI/UOUO/UIUDD(a)TGUI/UOUO/UICC(b)图CMOS传输门(a)电路结构；(b)逻辑符号RON导通阻抗•导通阻抗RON=RP//RN;一般为60左右，值与电源电压有关（成反比）。负载阻抗必须远大于RON。•开关可以双向导通。既可传输数字信号，又可传输模拟信号。•开关应用：•基本应用：可连接成各种开关形态，如：单刀单掷、单刀双掷、双刀单掷、双刀双掷等。•扩展应用：用CMOS传输门构成数控网络•A1A2A3A4R(K)•0000150•0001140•0010130•0011120•0100110•0101100•011090•011180•100070•100160•101050•101140•110030•110120•111010•11110图由74HC4066和串联电阻组成的数控电阻器•在四个开关的控制端加入二进制数字信号。当控制信号为0000时，开关S1-S4全部截止，AB两端之间的电阻为R1~R4串联之和，即R=10+20+40+80=150KΩ。当控制信号0001时，开关S1团合，R1被短路。这时R=R2+R3+R4=140KΩ。电阻R随控制信号变化的关系如表3-5所示，R共有效16种阻值，两个相邻的电阻之差（间距）等于最小电阻R1，即10KΩ•控制信号A1-A4由二进制计算器的输出端提供的，计算可以用加法计数器，也可以用减法计数器。但两种计数器的输出信号只能使数控电阻器的电阻值从小到大或从大到小单调变化。如果有可逆计数器提供数字控制信号，数控电阻器电阻值就能够随计数器做加法计数或减法计数而增大或减少，可以双向变化。•数控电阻器可通过增加串联电阻和摸拟开关进行扩展，这时需保持串联电阻值之比按二进制变化。5位数控电阻器共有32个阻值，6位数控电阻器有64个阻值。•和组成数控电阻器的方法相似，利用电容器并联时等于各电容器容量之和的原理，可以组成数控电容器。•由4个电容器和音4个4066开关组成的的数控电容器如图3-3所示，电容器C1–C4分别与一个开关串联，然后这4个支路再并联连接。4个电容器连接的公共端作为数控电容器C的一个电极，开关S1-S4的公共端作为C的另一电极。•C1-C4的电容量之比也符合二进制的变化规律。当开关的控制信号变化时，某个导通的开关就将它所在并联之路中的电容器连接到公共端A和B之间作。例如当控制信号为0001时开关S4导通，另外3个开关载止，这时C=C1=0.001UF；当控制信号为0011时，开关S1和S2载止,S3和S4导通，电容器C的电容量等于C1//C2=0.003UF；……当控制信号为1111时，4个开关都导通，C等于C1-C4并联之值。C随控制信号变化的关系如表3-3所示。图3-3由电容器和4066组成的数控电容器•数控电容器的电容量共有16种变化，步进间距等于最小的一个电容器C1之值，和数控电位器一样，数控电容器也可以通过增加电容器和开关进行扩展，但各个电容器的电容量都要按二进制规律变化。•数控电位器包含两个串联的4位数控电阻器，其串联接点2作为电位器的游标，数控电阻器的另一端则分别作为电位器的两端即（1和3）。4位可逆计数器74HC/HCT191的输出信号A1-A4作为数控电阻器R12开关的控制信号，A1-A4经过反相后作为数控电阻器R23开关的控制信号。因此当A1-A4为0000时，数控电阻器R12的4个开关全部截止，R12=15R；数控电阻器R23的4个开关全部导通，将2、3两端短接，因此R23=0。当A1—A4变为1111时，情况与上述相反，R12=0，R23=15R。•由于4位可逆计数器输出信号的变化，使R12和R23和也相应地发生变化（见表3-4），这相当于游标2向1、3两端移动。但是不管游标移动到什么位置，都始终满足R12+R23=R3=15R，这也表示电位器1和3两端之间的电阻值等于15R。•数控电阻（电位器）以及数控电容在很多场合可以得到应用。例如，用作音调补偿等。•在模拟应用中，常用来作数控低通（或高通）滤波器。HC/HCT4053的逻辑应用•模拟多路转换器/信号分离器4053包含3个相同的单刀双掷（SPDT）开关图3-94035的等效电路•4053的地址输入是高电平有效，因此当地址A为高电平时，开关SI闭合，X与XI接通；当A为低电平时，开关S2闭合，X与XO接通。利用这个特点，将X和XI分别接VCC和VSS，就可以把4053的一个单刀双掷开关组成一个反相器，如图3-10（a）所示。如果将开关的XO接VSS，XI接VCC，就可以实现缓冲器的功能，如图3-10（b）所示。在以上两种逻辑应用中，A作为反相器或缓冲器的输入端，X作为它们的输出端。由于4053中的开关全部是CMOS双向开关，因此缓冲器也是双向的，其输出端和输入端可以互换。•如果改变4053单刀双掷开关的连接方法，就可以实现3-10所示的8种逻辑功能。前6种逻辑功能用一个单刀双掷开关就可以单独实现，只是RS触发器必须由两个单刀双掷开关组成。图3-104053的8种逻辑功能•由一个单刀双掷开关也可组成图3-11所示的4种2输入端逻辑门：与非门、或非门、异或门和同或门。不过它们都需要一个反码输入，如果用反码输入不方便，也可以用4053的一个单刀双掷开关按图3-10连接成反相器来产生。图3-11由4053的一个单刀双掷开关组成的逻辑门•在上述应用中4053为单电源工作，它和外接电路都用VCC和VSS端供电。这时4053的VEE和VSS相连，作为电源的负端。•利用4053两种电源分开的特点，还可以用这实现图3-12的应用。这是两个电平变换电路，地址输入A作为同相器或缓冲器的输入端，信号的幅度为VCC-VSS，即“1”电平为VCC，“O”电平为VSS；X作为输出端,信号幅度为VSS-VEE或VCC-VEE,因此从输入端至输出端实现了电平交换.在这种应用中VEE和VSS分开,VEE接电源负端.图3-12电平变换电路图3-12电平变换电路AINAOUTVEEVCC•4053的各种逻辑应用扩大了它的应用范围，最主要的优点还在于用一块集成电路就能够同时完成3种逻辑功能，比用3种不同集成电路来实现3种功能节省了集成电路和所占据的空间，而且HC4053比逻辑门电路有较低的输出阻抗。双向开关的逻辑和模拟应用•在74HC/HCT系列中,现有4016、4066和4316三种双向开关.双向开关的开关应用,例如组成单刀单掷(SPST)、单刀双掷(SPDT)、双刀单掷(DPST)和双刀双掷(DPDT)开关.在其他应用书藉中已有介绍,这里不再重复.现在介绍双向开关的各种逻辑和模拟应用.由于在电路设计中使用双向开关时，有时会多出几个，造成闲置浪费。采用这里介绍的应用方法,这些闲置的双向开关就可以利用起来.••1、同相整形器•图3-13所示,双向开关和负载电阻RL(其阻值可在几百欧姆至几兆欧姆,以下各例相同)串联,即成为同相整形器.开关和电阻的连接点作为输出端,开关的控制端为输入端.由于双向开关在转换电压附近的特性很好,因此输出脉冲的前后沿良好.在低频应用时,RL取大些可减小功耗.•2、反相(整形)器•这时RL接在VCC端,如图3-14所示.输入高电平时开关S导通,输出为低电平,起反相作用,同时也具有整形作用。•与其他电路相比,以上两种应用独具的优点是,它们的V+端可以是低于VCC的任意一个电压,因此在完成上述功能的同时,还能实现电平变换,产生幅度合适的输出脉冲.图3-13同相整形器图3-14反相整形器•3.小信号电路:•双向开关的转换特性,即开关电阻随控制电压变化的曲线如图3-15（4）所示,通常△U仅有几个毫伏.因此,只要双向开关的控制端施加适当的偏置,就可对小信号进行放大整形。•图3-15(b)和(c)为加了偏置的同相和反相放大整形电路.选择合适R1和R2的比值,使开关S控制电压VC处于转换电压附近,即可对数十毫伏的信号进行整形,输出幅度可比输入幅度大百倍以上.•图3-15(d)是自偏置电路,依靠反馈电阻将输出静电位自动偏置在转换电压(约1/2VCC)上,这时可对更小的信号放大整形,也可做小信号线性放大用,但失真略大,电压增益可达数百倍.根据实验,这种偏置状态由于增益很高,易发生自激,须加入消振电容(几千pF)，因此求适合高频运用。图3-15小信号电路