Hobby-Elektronik CMOS-Analogschalter 4016, 4066, 4051, 4052, 4053
(Fast alle Typen sind in älteren TV- und VR-Geräten zum Ausschlachten zu finden !)
Während die CMOS-ICs der bekannten 40xx-Reihe im allgemeinen Bausteine der Digitalelektronik sind und damit nur logische Pegel (0 = 0 Volt und 1 = + Ub) verarbeiten, sind CMOS-Analogschalter spezielle CMOS-ICs, die als elektronische Schalter für analoge Spannungen verwendet werden. Sie können z.B. im NF-Bereich zur Signalquellen-Umschaltung verwendet werden und damit mechanische Schalter und Tastenaggregate ersetzen. Vorteile sind neben viel geringerem Preis und dem einfachen Einbau u.a. höhere Zuverlässigkeit, knackfreie Umschaltung, kürzere Signalleitungen und damit geringere Einstreugefahr von Störsignalen. Für den Hobbyelektroniker bietet sich die Möglichkeit, mit ihnen beliebige Schalterfunktionen zusammenzustellen.
Das Prinzip des elektronischen Schalters erläutert Bild 1 im Vergleich: Wie beim Relais-Schalter wird auch beim CMOS-Analogschalter eine Steuer(gleich)spannung benötigt, die z.B. durch einen mechanischen Schalter ein- und ausgeschaltet wird. Der Steuereingang St ist ein digitaler Eingang, der Schalterzustand ein/aus wird also durch den logischen Pegel (0V bzw. +Ub) an St bestimmt.

Analogschalter-Typen, Betriebs- und Grenzdaten
Häufig verwendete Anaalogschalter sind die pinkompatiblen Typen 4016 und 4066. Sie enthalten, wie die Pinbelegung in Fig. 2 zeigt, im 14-poligen DIL-Gehäuse vier Schalter 1 x EIN.

Die wichtigsten Betriebs und Grenzdaten sind:
Betriebsspannung Vdd = +Ub = 3 bis 18 Volt (Vss = GND = 0 Volt), maximaler Durchgangsstrom durch den Schalter Imax = 10 Milliampere (4016), 25 Milliampere (4066),
Durchgangswiderstand bei geschlossenem Schalter: Ron = ca. 300 Ohm, bei offenem Schalter: Roff > 10 exp 9 Ohm,
maximale Übertragungsfrequenz ft = ca. 60 MHz, maximale Steuersignalfrequenz fs = ca. 8 MHz.

Analogschalter sind auch die Multiplexer/Demultiplexer-ICs 4051, 4052 und 4053 im 16-poligen DIL-Gehäuse, deren Pinbelegung Fig. 3 zeigt. 4053 enthält drei unabhängig voneinander steuerbare Schalter 1 x UM, während 4051 und 4052 einem Drehschalter 1 x 8 bzw. 2 x 4 entsprechen. Die Schalterstellung hängt von den an den Steuereingängen A, B, C (und Inhibit I, normal: I = 0) liegendem BCD-Code ab: siehe die Wahrheitstabelle in Fig. 3.
Als Besonderheit besitzen die drei Typen einen zusätzlichen Betriebsspannungsanschluß Vee (Pin 7), der normalerweise mit Vss = GND (Pin 8) verbunden wird oder eine gegenüber Vss negative Spannung erhält, wobei die Differenz zwischen Vdd (= +Ub) und Vee kleiner 18 Volt eingehalten werden muß. Zweck diese Anschlusses: Die Analogspannungen beziehen sich auf Vee, d.h. dürfen diesen Wert nicht unterschreiten, der Logikpegel des Steuereingangs ist auf Vss als 0-Pegel bezogen. Man hat also die Möglichkeit, mit einer positiven Logik massesymmetrische Analogsignale zu schalten. (Dabei liegt also Vss an 0V und Vee an negativer Betriebsspannung.)
Literatur: Motorola McMOS-Handbook
Zusammenfassend beim praktischen Umgang ("Basteln") besonders zu beachten:
--> Der Steuereingang ist ein digitaler Eingang: 0-Pegel = Vss = GND (Höchstwert Vss + 0,8 V), 1-Pegel = Vdd = +Ub (Mindestwert 2/3 Vdd). Werte dazwischen machen keinen Sinn.
-->Die Steuerspannung darf Vss nicht unter- und Vdd nicht überschreiten, man entnimmt sie daher am besten der Betriebsspannung des ICs.
--> Die Schaltersteuerung erfolgt praktisch leistungslos, da der Steuereingang sehr hochohmig ist, man kann daher die Steuerspannung über einen Vorwiderstand von 10 kOhm bis 1 MOhm anlegen.
--> Die Steuereingänge (hochohmige Mosfet-Gates) nicht benutzter Schalter nicht "frei in der Luft" hängen lassen sondern mit Vss (oder Vdd) verbinden.
-->Die am Analog-Eingang und ebenso am Ausgang liegende Summe von Gleich und Wechselspannung (Spitze-Spitze-Amplitude) darf Vss (bzw. ggf. Vee s.o.) nicht unter- und Vdd nicht überschreiten.

 

Schaltbeispiele
Bild 4
zeigt eine einfache Signalquellen-Umschaltung für einen NF-Verstärker mit 3 Schaltern des 4016 oder 4066, die z.B. vor das Lautstärke-Potentiometer der Endstufe gesetzt werden kann. Die Eingänge und die zusammengefaßten Ausgänge der Analogschalter sind über die 100k-Widerstände an die Mitte des von den 10k-Widerständen gebildeten Spannungsteilers und damit an 1/2 Ub gelegt, damit die Signal-Wechselspannungen im Betriebsspannungsbereich des ICs (Vss = GND = 0 V, Vdd = +Ub) liegen. Mit den Schaltern S1 bis S3 erfolgt die Signalquellenumschaltung: Bei offenem Schalter liegt St über 18k an GND, bei geschlossenem Schalter an +Ub. Da die Steuerleitungen nur Gleichspannung führen, brauchen sie nicht abgeschirmt verlegt zu werden.
Bild 5 Für etwas Fortgeschrittene: Je größer die Signale, desto größer ist der durch die Analogschalter verursachte Klirrfaktor. Anstelle der Schaltung nach Bild 4 sollte es daher günstiger sein, den Analogschalter an den "virtuellen Nullpunkt" X eines als Inverter geschalteten rauscharmen Operationsverstärkers zu legen. Bei X können entsprechend Bild 4 weitere Signalquellen angeschlossen werden.


Bild 6
Eine am Eingang des Analogschalters liegende langsam ansteigende und wieder abfallende Gleichspannung wird durch ein Rechtecksignal am Steuereingang ein- und ausgeschaltet: am Ausgang erscheint ein moduliertes Rechtecksignal, das bei geeigneter Frequenzwahl eine Art Sirenenton oder ähnliches ergibt. (Das Prinzip dieser Schaltung wird auch in elektronischen Orgeln zur Tonmodulation verwendet.)
(12.5.2004)