CDx4HC405x 高速CMOS逻辑模拟多路复用器和多路分配器技术解析

引言

在电子设计领域，模拟多路复用器和多路分配器扮演着至关重要的角色，它们能够实现信号的选择与分配，广泛应用于各种电子设备中。今天我们要深入探讨的是 Texas Instruments 公司的 CDx4HC405x 系列产品，包括 CD54HC4051、CD74HC4051 等多个型号，这些产品在性能和应用上都有着独特的优势。

文件下载：cd74hct4051.pdf

产品概述

特点与优势

CDx4HC405x 系列产品采用硅栅CMOS技术，结合了 LSTTL 的高速运行能力和标准 CMOS 集成电路的低功耗特性。其显著特点如下：

1. 汽车应用资质：产品经过认证，可用于汽车相关应用，这意味着它具备高可靠性和稳定性，能够适应汽车环境中的复杂条件。
2. 宽模拟输入电压范围：最大可达 ±5V，能够处理多种幅度的模拟信号，为设计提供了更大的灵活性。
3. 低导通电阻：在不同的电源电压下，导通电阻表现出色。例如，当 (V{CC}-V{EE}=4.5V) 时，典型值为 70Ω；当 (V{CC}-V{EE}=9V) 时，典型值为 40Ω。低导通电阻可以有效减少信号在通过开关时的损耗，提高信号传输的质量。
4. 低串扰：开关之间的串扰非常低，确保了各个通道之间的信号独立性，减少了信号干扰，提高了系统的性能。
5. 快速切换和传播速度：能够快速响应控制信号，实现信号的快速切换和传播，满足高速应用的需求。
6. 先断后通切换：在切换通道时，采用先断后通的方式，避免了通道重叠，保证了信号的连续性和稳定性。
7. 宽工作温度范围：可在 -40°C 至 +125°C 的温度范围内正常工作，适用于各种恶劣的环境条件。
8. 逻辑兼容性：与 LSTTL 和 CMOS 输入逻辑兼容，方便与其他电路进行接口和集成。

应用领域

该系列产品的应用范围十分广泛，常见的应用场景包括：

1. 数字无线电：在数字无线电设备中，用于信号的选择和切换，确保不同频段和信号源的有效传输。
2. 信号门控：实现对信号的选通控制，根据需要选择特定的信号进行传输。
3. 工厂自动化：在工业自动化系统中，用于传感器信号的采集和处理，以及不同设备之间的信号切换。
4. 电视：应用于电视的信号处理电路中，实现音视频信号的选择和切换。
5. 家电：在家用电器中，如智能家电的控制系统，用于信号的选择和分配。
6. 可编程逻辑电路：在可编程逻辑电路中，作为信号的选择器，实现逻辑功能的编程和切换。
7. 传感器：在传感器系统中，用于不同传感器信号的选择和处理，提高系统的灵活性和扩展性。

技术参数详解

绝对最大额定值

了解产品的绝对最大额定值是确保其安全可靠运行的关键。对于 CDx4HC405x 系列产品，以下是一些重要的绝对最大额定值参数：	参数	最小值	最大值	单位
(V{CC} - V{EE})	-0.5	10.5	V
(V_{CC})	-0.5	7	V
(V_{EE})	-7	0.5	V
(I_{IK})（直流输入二极管电流）	-20	20	mA
(I_{OK})（直流开关二极管电流）	-20	20	mA
直流开关电流	-25	25	mA
(I{CC})（直流 (V{CC}) 或地电流）	-50	50	mA
(I{EE})（直流 (V{EE}) 电流）	-20	-	mA
(V{SEL}) 或 (V{EN})（逻辑控制输入引脚电压）	-0.5	30	V
(T_{JMAX})（最大结温）	-	150	°C
(T_{LMAX})（最大引脚温度，焊接 10s）	-	300	°C
(T_{stg})（存储温度）	-65	150	°C

在实际设计中，必须确保所有参数都在这些绝对最大额定值范围内，否则可能会导致设备永久性损坏。

静电放电（ESD）额定值

ESD 是电子设备在使用和生产过程中需要重点关注的问题，它可能会对设备造成损害，影响其性能和可靠性。CDx4HC405x 系列产品的 ESD 额定值如下：

• 人体模型（HBM）：±500V
• 充电设备模型（CDM）：±200V

根据 JEDEC 文档的规定，500V 的 HBM 和 250V 的 CDM 允许在标准 ESD 控制过程下进行安全制造。因此，在使用和处理这些产品时，需要采取适当的 ESD 防护措施，以避免 ESD 对设备造成损害。

热信息

热性能是影响电子设备稳定性和可靠性的重要因素之一。对于 CD74HC4051 不同封装类型，以下是一些热信息参数：	热指标	N (PDIP) 16 PINS	NS (SO) 16 PINS	PW (TSSOP) 16 PINS	单位
(R_{θJA})（结到环境热阻）	77.3	99.3	116.5	°C/W
(R_{θJC(top)})（结到外壳（顶部）热阻）	56.2	59.6	51.9	°C/W
(R_{θJB})（结到电路板热阻）	52.6	65.7	73.9	°C/W
(Ψ_{JT})（结到顶部特征参数）	33.7	21.5	4.7	°C/W
(Ψ_{JB})（结到电路板特征参数）	52.1	65.1	73.2	°C/W

在实际设计中，需要根据这些热信息合理安排散热措施，确保设备在正常工作温度范围内运行。

推荐工作条件

为了确保产品的最佳性能和可靠性，需要在推荐的工作条件下使用。以下是一些重要的推荐工作条件参数：	参数	最小值	标称值	最大值	单位
(V_{CC})（CD54 和 74HC 类型）	2	-	-	V
(V_{CC})（CD54 和 74HCT 类型）	4.5	-	5.5	V
(V{CC} - V{EE})	2	-	10	V
(V_{EE})	-6	-	0	V
(V_{I})（直流输入控制电压）	0	-	(V_{CC})	V
(V_{IS})（模拟开关 I/O 电压）	(V_{EE})	-	(V_{CC})	V
(T_{A})（环境温度）	-55	-	125	°C
(t{r}, t{f})（输入上升和下降时间，2V）	0	-	1000	ns
(t{r}, t{f})（输入上升和下降时间，4.5V）	0	-	500	ns
(t{r}, t{f})（输入上升和下降时间，6V）	0	-	400	ns

在设计过程中，应尽量使设备的工作条件符合这些推荐值，以确保产品的性能和可靠性。

引脚配置与功能

CDx4HCx4051

CDx4HCx4051 是一个单 8 通道多路复用器，具有三个二进制控制输入 (S{0})、(S{1}) 和 (S_{2}) 以及一个使能输入。其引脚配置如下：	引脚名称	引脚编号	类型	描述
CH A4 IN/OUT	1	I/O	通道 4 输入/输出
CH A6 IN/OUT	2	I/O	通道 6 输入/输出
COM OUT/IN	3	I/O	公共输入/输出
CH A7 IN/OUT	4	I/O	通道 7 输入/输出
CH A5 IN/OUT	5	I/O	通道 5 输入/输出
!E	6	I	使能通道（低电平有效）
(V_{EE})	7	-	负电源输入
GND	8	-	接地
S2	9	I	通道选择 2
S1	10	I	通道选择 1
S0	11	I	通道选择 0
CH A3 IN/OUT	12	I/O	通道 3 输入/输出
CH A0 IN/OUT	13	I/O	通道 0 输入/输出
CH A1 IN/OUT	14	I/O	通道 1 输入/输出
CH A2 IN/OUT	15	I/O	通道 2 输入/输出
(V_{CC})	16	-	正电源输入

通过三个二进制控制输入 (S{0})、(S{1}) 和 (S_{2}) 的组合，可以选择 8 个通道中的一个进行导通，将相应的输入连接到输出。

CDx4HCx4052

CDx4HCx4052 是一个差分 4 通道多路复用器，具有两个二进制控制输入 (S{0}) 和 (S{1}) 以及一个使能输入。其引脚配置如下：	引脚名称	引脚编号	类型	描述
CH B0 IN/OUT	1	I/O	通道 B0 输入/输出
CH B2 IN/OUT	2	I/O	通道 B2 输入/输出
COM B OUT/IN	3	I/O	B 公共输入/输出
CH B3 IN/OUT	4	I/O	通道 B3 输入/输出
CH B1 IN/OUT	5	I/O	通道 B1 输入/输出
!E	6	I	使能通道（低电平有效）
(V_{EE})	7	-	负电源输入
GND	8	-	接地
S1	9	I	通道选择 1
S0	10	I	通道选择 0
CH A3 IN/OUT	11	I/O	通道 A3 输入/输出
CH A0 IN/OUT	12	I/O	通道 A0 输入/输出
COM A IN/OUT	13	I/O	A 公共输入/输出
CH A1 IN/OUT	14	I/O	通道 A1 输入/输出
CH A2 IN/OUT	15	I/O	通道 A2 输入/输出
(V_{CC})	16	-	正电源输入

两个二进制控制输入 (S{0}) 和 (S{1}) 可以选择 4 对通道中的一对进行导通，将相应的模拟输入连接到输出。

CDx4HCx4053

CDx4HCx4053 是一个三重 2 通道多路复用器，具有三个单独的数字控制输入 (S{0})、(S{1}) 和 (S_{2}) 以及一个使能输入。其引脚配置如下：	引脚名称	引脚编号	类型	描述
B1IN/OUT	1	I/O	B 通道 Y 输入/输出
B0 IN/OUT	2	I/O	B 通道 X 输入/输出
C1 IN/OUT	3	I/O	C 通道 Y 输入/输出
COM C OUT/IN	4	I/O	C 公共输入/输出
C0 IN/OUT	5	I/O	C 通道 X 输入/输出
!E	6	I	使能通道（低电平有效）
(V_{EE})	7	-	负电源输入
GND	8	-	接地
S2	9	I	通道选择 2
S1	10	I	通道选择 1
S0	11	I	通道选择 0
A0 IN/OUT	12	I/O	A 通道 X 输入/输出
A1 IN/OUT	13	I/O	A 通道 Y 输入/输出
COM A OUT/IN	14	I/O	A 公共输入/输出
COM B OUT/IN	15	I/O	B 公共输入/输出
(V_{CC})	16	-	正电源输入

每个控制输入可以选择一对通道中的一个进行导通，实现单刀双掷的配置。

应用与设计要点

典型应用示例

以 CD74HC4051 为例，它可以与微控制器配合使用来扫描键盘。微控制器通过通道选择引脚依次循环选择不同的通道，同时读取输入，以检测用户是否按下了某个按键。这种配置非常可靠，允许同时按下多个按键，并且功耗很低，同时只占用微控制器的少量引脚。但是，这种轮询方式的缺点是微控制器必须频繁扫描按键以检测按下事件。

设计要求与注意事项

1. 避免总线冲突：由于这些设备采用 CMOS 技术，具有平衡的输出驱动能力，因此需要注意避免总线冲突。总线冲突可能会导致电流超过最大限制，损坏设备。
2. 考虑布线和负载条件：高驱动能力会在轻负载情况下产生快速的边沿，因此在设计布线和负载条件时需要考虑这一点，以防止信号振铃。
3. 输入输出条件：输入电压不得超过 (V{DD}) 0.5V 或低于 (V{EE}) 0.5V，输出电压不得超过 (V{DD}) 或低于 (V{EE})。同时，该系列器件没有内部电流驱动电路，任何电流都会直接通过器件，因此在设计时需要考虑输入和输出电流的情况。

电源供应建议

电源电压应在第 5.5 节规定的最小和最大供电电压额定值之间。每个 (V{CC}) 引脚都应连接一个良好的旁路电容，以防止电源干扰。对于单电源设备，建议使用 0.1μF 的旁路电容；如果有多个 (V{CC}) 引脚，每个引脚建议使用 0.01μF 或 0.022μF 的电容。对于双电源引脚工作在不同电压的设备，每个电源引脚建议使用 0.1µF 的旁路电容。为了更好地抑制不同频率的噪声，可以并联多个旁路电容，例如常用的 0.1μF 和 1μF 电容并联。旁路电容应尽可能靠近电源引脚安装，以获得最佳效果。

布局设计要点

在 PCB 布局设计中，需要注意反射和匹配问题。当 PCB 走线以 90° 角转弯时，可能会发生反射，这主要是由于走线宽度的变化导致的。在转弯处，走线宽度会增加到原来的 1.414 倍，从而破坏了传输线的特性，特别是走线的分布电容和自感，导致反射现象。因此，在设计走线时，应尽量采用圆角转弯的方式，以保持走线宽度的恒定，减少反射。

总结

CDx4HC405x 系列高速 CMOS 逻辑模拟多路复用器和多路分配器具有丰富的特点和广泛的应用领域。其低导通电阻、快速切换速度和宽工作温度范围等优势，使其成为许多电子设计的理想选择。在实际应用中，我们需要根据具体的设计需求，合理选择型号和封装，并注意引脚配置、工作条件、电源供应和布局设计等方面的要点，以确保设备的性能和可靠性。同时，随着电子技术的不断发展，我们也需要不断关注产品的更新和改进，以更好地满足各种复杂的应用场景。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。