Lab-tips: CD4066B analoge schakelaar

(gepubliceerd op 01-05-2022)

Dit veelzijdige IC bevat vier analoge schakelaars die individueel worden bestuurd. In dit artikel geven wij praktische schakelvoorbeelden met dit IC, die van pas kunnen komen bij het ontwerpen van uw eigen schakelingen.

Kennismaking met de CD4066B

De interne structuur van de CD4066B
De CD4066B bevat vier enkelvoudige analoge schakelaars die bidirectioneel, dus in beide richtingen, kunnen werken. Signalen gaan zowel van de ingang naar de uitgang als van de uitgang naar de ingang. Tóch worden vier pennen IN genoemd en vier pennen OUT. De ingangen zijn door een extra netwerkje beschermd tegen statische spanningen. Kijk maar naar het rechter deel van de onderstaande figuur, waar de samenstelling van dit beschermend netwerkje is getekend dat op iedere ingang aanwezig is.
Zoals uit het intern schema van één schakelaar blijkt bestaat de eigenlijke schakelaar uit niets meer dan twee complementaire MOSFET's, geschakeld tussen IN en OUT. 

Het intern schema van één schakelaar in de CD4066B. (© Texas Instruments)

De werking van de CD4066B
De werking van dit IC is uiterst eenvoudig. Als op de CONTROL een 'H' wordt aangelegd wordt de schakelaar gesloten en zijn IN en OUT met elkaar verbonden. Als de CONTROL op 'L' staat wordt de schakelaar geopend en komen de in- en uitgang in een hoog-impedante toestand te staan.

De aansluitgegevens van de CD4066B
In de onderstaande figuur ziet u de aansluitgegevens van de DIL-14 versie van dit IC in bovenaanzicht.

De aansluitgegevens van de CD4066B.
(© 2022 Jos Verstraten)

De behuizingen van de CD4066B
Dit IC wordt in vijf behuizingen aangeboden:
       - PDIP: 19,3 mm x 6,35 mm
       - CDIP: 19,5 mm x 6,92 mm
       - SOIC: 8,65 mm x 3,91 mm
       - SOP: 10,3 mm x 5,3 mm
       - TSSOP: 5,0 mm x 4,4 mm

De belangrijkse specificaties van de CD4066B
       - Voedingsspanning: +20 V max., +18 V aanbevolen
       - Voedingsstroom: 0,01 μA typisch
       - In- en uitgangsspanningen: 15 Vtop-tot-top 
       - Statische spanning op ingangen: ±500 V max.
       - Frequentiebereik: 40 MHz typisch
       - Ingangsstroom: ±10 mA max.
       - AAN-weerstand: 125 Ω typisch (15 V voeding)
       - Ingangscapaciteit: 8 pF typisch
       - Uitgangscapaciteit: 8 pF typisch
       - Variatie in AAN-weerstand: 5 Ω max.
       - Signaalvervorming: 0,5 % max.
       - Signaalverzwakking in UIT-modus: 80 dB typisch
       - Overspraak tussen schakelaars: -50 dB typisch
       - Schakelfrequentie: 9,5 MHz max.
       - In- en uitschakeltijden: 50 ns typisch
       - Weerstand van de CONTROL ten opzichte van massa: 10¹² Ω

Verbeterde CD4066B
In de HC-serie wordt een equivalente schakeling 74HC4066 aangeboden die u zonder meer in de plaats van de CD4066B kunt toepassen. Deze schakeling heeft een paar verbeterde specificaties:
       - AAN-weerstand: 60 Ω typisch
       - Inschakeltijd: 13 ns typisch
       - Uitschakeltijd: 38 ns typisch

Schakelen van wisselspanningen
Als de CD4066B wilt gebruiken voor het schakelen van wisselspanningen zit u met het probleem dat de schakeling geen negatieve spanningen kan verwerken. U kunt dan twee systemen toepassen:

• SYSTEEM 1:
  U zet door middel van een weerstandsdeler de ingang van de CD4066B op de helft van de voedingsspanning en superponeert de te verwerken wisselspanning op deze instelspanning. U moet dan, zowel aan de in- als aan de uitgang, scheidingscondensatoren toepassen.
• SYSTEEM 2:
  U voedt de CD4066B niet tussen de massa en +15 V, maar tussen bijvoorbeeld -5 V en +5 V. De CONTROL moet dan uiteraard eveneens tussen die spanningen springen op de schakelaar te bedienen. U kunt dan de wisselspanning rechtstreeks aan de ingang van de schakelaar aanbieden.

Beide systemen zijn voorgesteld in de onderstaande figuur.

Het verwerken van wisselspanningen met de CD4066B. (© 2022 Jos Verstraten)

Wat te doen met niet gebruikte schakelaars?
Als u in een bepaalde toepassing niet alle schakelaars uit een CD4066B nodig hebt moet u de drie aansluitingen van de niet gebruikte schakelaars aan de massa (of de negatieve voeding) leggen.

Voorbeeldschakelingen met de CD4066B

Behandelde schakelingen
Als voorbeelden van de veelzijdigheid van de CD4066B worden de volgende schakelingen behandeld:
       - Vloeistofniveau indicator
       - AAN/UIT aanraakschakelaar
       - Versterker met digitale instelling versterking
       - Zestien-traps potentiometer verzwakker
       - Digitale poorten maken met een CD4066B
       - Digitaal instelbaar laagdoorlaat filter
       - Set/reset besturing van een belasting
       - Signalen verzwakken met pulsbreedte modulatie
       - Een astabiele multivibrator met een halve CD4066B
       - Wisselspanningen schakelen met een TTL-puls
       - Sample and hold met een CD4066B
       - Een hexadecimaal toetsenbordje emuleren
       - Een wisselschakelaar met een CD4066B
       - Videobronnen schakelen zonder overspraak
       - Digitaal naar analoog omvormer


Vloeistofniveau indicator
Dank zij de zeer hoge weerstand van de CONTROL-ingangen kunt u deze aansturen met een zeer kleine stroom. Van deze eigenschap wordt in de onderstaande schakeling gebruik gemaakt. U meet er het niveau in een vat water mee in vier stappen. De 'sensor' bestaat uit vijf tegen de wand van het vat opgestelde elektrodes, bijvoorbeeld koperen spijkertjes. De onderste zit op de bodem van het vat en wordt met de voedingsspanning van de schakeling verbonden. Als het vat leeg is hangen de vier overige elektrodes in de lucht en staan de CONTROL-ingangen van de vier schakelaars in de CD4066B op massa-potentiaal. Stijgt het niveau van het water in het vat tot de elektrode 1/4 nat wordt, dan gaat er via het geleidende water een stroom door weerstand R1 vloeien en gaat de schakelaar S1 sluiten. De LED D1 gaat branden. Naarmate het niveau stijgt zullen de overige schakelaars een na een worden gesloten. Als de vierde schakelaar sluit, het vat is dan vol, wordt de transistor T1 via de weerstand R9 in geleiding gestuurd en gaat de piëzo-elektrische zoemer LS1 zoemen.

Eenvoudige vloeistofniveau indicator. (© 2022 Jos Verstraten)

AAN/UIT aanraakschakelaar
Een andere toepassing van de hoge ingangsweerstand van de CONTROL is een aanraakschakelaar. Een van de mogelijkheden is getekend in de onderstaande figuur. De aanraakschakelaar bestaat uit drie koperen contactvlakjes. Als u met uw vinger het bovenste en het middelste overbrugt komt de voedingsspanning via de weerstanden R1, uw huidweerstand en R2 op de CONTROL van de schakelaar S1 terecht. De schakelaar sluit en de uitgang wordt 'H'. Via de weerstand R3 wordt deze hoge spanning teruggekoppeld naar CONTROL, zodat de schakelaar in de AAN stand blijft. Als u de twee onderste contactvlakken overbrugt met uw vinger wordt CONTROL via de weerstand R2 en de huidweerstand van uw vinger naar de massa getrokken. De schakelaar opent, de uitgang wordt 'L' en dit is weer een stabiele toestand.

Een AAN/UIT aanraakschakelaar.
(© 2022 Jos Verstraten)

Versterker met digitale instelling versterking
In de onderstaande figuur is het schema getekend van een inverterende versterker rond een op-amp. U kunt de versterking van de trap instellen door een van de ingangen A, B, C of D 'H' te maken. De versterkingsfactor wordt bepaald door de verhouding tussen de weerstand R1 en een van de weerstanden R6, R7, R8 of R9. Zet u A op 'H', dan wordt de weerstand R6 door een van de schakelaars in de CD4066B tussen de uitgang en de inverterende ingang van de op-amp opgenomen. De trap gaat dan honderd keer versterken. Maakt u D 'H', dan wordt R9 ingeschakeld en valt de versterking terug tot 4,7. Let wel dat u altijd een van de besturingsingangen 'H' moet maken. In het geval dat deze allemaal op 'L' staan is de op-amp niet teruggekoppeld en wordt de schakeling instabiel.
De weerstandsdeler R10/R11 zet de niet-inverterende ingang van de op-amp op de helft van de voedingsspanning en zorgt dus voor de instelling van de versterker.

Digitale instelling van de versterking van een op-amp. (© 2022 Jos Verstraten)

Zestien-traps potentiometer verzwakker
Het in het vorige paragraafje gebruikte principe kunt u ook toepassen voor het ontwerpen van een digitaal instelbare potentiometer schakeling. In het onderstaande schema is één van de vele mogelijkheden voorgesteld. Ook nu werken wij weer met een op-amp, geschakeld als inverterende versterker. Tussen de uitgang en de inverterende ingang staan vier in serie geschakelde gewogen weerstanden. Dat wil zeggen dat hun waarden een bepaalde onderlinge verhouding hebben: iedere weerstand heeft een waarde die gelijk is aan twee keer de waarde van zijn rechter soortgenoot. Via de weerstandsdeler R6/R7 wordt de versterker weer ingesteld op de helft van de voedingsspanning.
Als de digitale stuurcode 'H-H-H-H' is zijn de vier schakelaars gesloten en wordt de uitgang van de op-amp rechtstreeks verbonden met de inverterende ingang. De op-amp heeft dan een versterking van nul. Stel dat de stuurcode 'L-H-H-H' wordt. Schakelaar S4 opent, de weerstand R5 van 10 kΩ wordt opgenomen in de terugkoppeling van uitgang naar inverterende ingang. De op-amp heeft een versterking van -1. Vervolgens wordt de stuurcode 'H-L-H-H'. Schakelaar S4 sluit weer, schakelaar S3 opent. De weerstand R4 van 20 kΩ komt in de terugkoppeling, de versterking van de trap stijgt tot -2. Dat gaat zo stap na stap verder tot de stuurcode gelijk wordt aan 'L-L-L-L'. Alle schakelaar staan open, de terugkoppelweerstand wordt gelijk aan R2 + R3 + R4 + R5, dus 150 kΩ. De versterking van de trap wordt gelijk aan -15. 

Een digitale potentiometer. (© 2022 Jos Verstraten)

Digitale poorten maken met een CD4066B
Met de vier poorten in één CD4066B kunt u allerlei digitale poorten namaken. Als voorbeeld hebben wij in de onderstaande tekening een NAND-poort met vier ingangen voorgesteld. Zoals u wellicht weet is de uitgang van een NAND 'L' als alle ingangen 'H' zijn. Bij alle overige ingangscombinaties wordt de uitgang 'H'.
Als alle schakelaars van de CD4066B gesloten zijn als gevolg van vier 'H' signalen op de vier ingangen wordt de uitgang X naar de massa getrokken en is dus 'L'. Als een van de schakelaars opent gaat de uitgang naar +Ub en wordt X dus 'H'. 

Een NAND-poort met vier ingangen.
(© 2022 Jos Verstraten)

Op identieke manier kunt u een NOR, een OR en een AND namaken. Zelfs een combinatie van een NAND met een OR is mogelijk!

Digitaal instelbaar laagdoorlaat filter
Met twee CD4066B schakelingen kunt u een RC laagdoorlaat filter maken waarvan u de kantelfrequentie digitaal kunt instellen. Met de eerste CD4066B stelt u de waarde van de weerstand Rfilter in zestien stappen in. Met de tweede CD4066B doet u hetzelfde met de waarde van de condensator Cfilter. Let er op dat u de twee IC's symmetrisch moet voeden met +5 V en -5 V. Ook de besturingsingangen A tot en met H moeten met deze twee spanningsniveaus worden gestuurd.

Een digitaal instelbaar laagdoorlaat filter. (© 2022 Jos Verstraten)

Set/reset besturing van een belasting
Met één schakelaar uit een CD4066B kunt u een flip-flop simuleren die dus twee stabiele toestanden heeft: uitgang AAN of uitgang UIT. Deze twee toestanden worden geactiveerd door het bedienen van twee drukknoppen. In de onderstaande figuur zijn twee schakelingen getekend, de linker voor het sturen van een belasting die aan de massa hangt, de rechter voor een belasting die aan de voeding hangt. De werking is duidelijk. In rust zit de CONTROL van de schakelaar in de CD4066B via de weerstanden R2 en R3 aan de massa en de schakelaar is open. Drukt u op de AAN-knop, dan wordt CONTROL via de weerstand R1 met de voeding verbonden en sluit de schakelaar in het IC. Over R3 komt de volledige voedingsspanning te staan en die houdt via R2 de CONTROL op 'H'. De schakelaar blijft dus gesloten, ook als u de AAN-knop loslaat.
De voedingsspanning over R2 brengt de transistor T1 in geleiding. In het linker schema is deze als emittervolger geschakeld en staat de basisspanning ook op de emitter. De LAST wordt geactiveerd. In het rechter schema werkt T1 als schakelaar en wordt de collector naar de massa getrokken. Ook nu wordt de LAST met de voedingsspanning verbonden.
Door het drukken op de UIT-knop valt de sturing van de CONTROL weg en gaat de schakelaar in de CD4066B weer openen.

Een SR flip-flop met één schakelaar uit een CD4066B
(© 2022 Jos Verstraten)

Signalen verzwakken met pulsbreedte modulatie
In de onderstaande figuur is een elektronische signaalverzwakker voorgesteld waarvan de verzwakking afhankelijk is van de duty-cycle van de puls waarmee de elektronische schakelaar S1 wordt gestuurd. Voorwaarde voor de goede werking van zo'n systeem is wel dat de frequentie van de schakelpuls minstens een factor 20 hoger is dan de frequentie van het signaal dat wordt verzwakt.
De weerstandsdeler R2/R3 zorgt weer voor het instellen van de schakelaar in het midden van de voedingsspanning. Het te verzwakken signaal wordt via de scheidingscondensator C1 en de serieweerstand R1 aan de elektronische schakelaar S1 uit de CD4066B aangeboden. Deze schakelaar wordt gestuurd met een puls waarvan de aan/uit-verhouding (de duty-cycle) over een breed bereik is in te stellen. D schakelaar S1 'hakt' dus het ingangssignaal in smalle stukjes. De breedte van die stukjes is afhankelijk van de duty-cycle van de schakelpuls. Het gehakte signaal gaat vervolgens naar een R4/C2 laagdoorlaat filter. Dat filter verwijdert de schakelfrequentie weer uit het gehakte signaal. Wat over de condensator C2 ontstaat is dus een signaal dat de vorm heeft van het ingangssignaal, maar dat veel kleiner is. De amplitude van dit signaal is dus te regelen door de duty-cycle van schakelsignaal te variëren. 

Signaalverzwakker door pulsbreedte modulatie.
(© 2022 Jos Verstraten)

Zoals reeds geschreven moet de frequentie van de schakelpuls minstens een factor 20 hoger zijn dan de hoogste frequentie in het ingangssignaal. Bovendien moet het filter R4/C2 zeer goed berekend worden. In het onderstaande oscillogram hebben wij de werking van dit systeem voorgesteld. De gele trace geeft het signaal voor het R4/C2 filter, de blauwe trace het signaal na dit filter. De amplitude van de 'herwonnen' sinus is afhankelijk van de duty-cycle van de stuurpuls.
Misschien vraagt u zich af wat het nut van een dergelijk systeem is. Dat wordt duidelijk als u meer dan twee signalen in dezelfde mate moet verzwakken, bijvoorbeeld in samengestelde afstembare analoge filters. Een viervoudige potentiometer zult u niet gemakkelijk vinden! Met één CD4066B kunt u echter vier weerstanden in zo'n filter met één stuursignaal verzwakken.

De werking van de pulsbreedte modulatie. (© 2022 Jos Verstraten)

Een astabiele multivibrator met een halve CD4066B
In de onderstaande figuur is het schema getekend van een astabiele multivibrator die een rechthoekvormige spanning genereert. De schakelaar S1 is geschakeld als schmitt-trigger, de schakelaar S2 als inverter. De hysteresis van de schmitt-trigger is afhankelijk van de verhouding tussen de weerstanden R2 en R3. De frequentie van de schakeling wordt bepaald door de tijdconstante van C1-R1.

Bij het inschakelen van de voeding is de condensator C1 volledig ontladen. De CONTROL van beide schakelaars is 'L'. De schakelaars zijn geopend en de uitgang is via R5 met de voeding verbonden en is dus 'H'. De condensator C1 gaat nu via de weerstanden R5 en R1 opladen. Op een bepaald moment is de spanning op de CONTROL gestegen tot de waarde waarbij S1 wordt gesloten. Het sluiten van S1 heeft tot gevolg dat de CONTROL van S2 'H' wordt. Deze schakelaar sluit, de uitgang gaat naar 'L'. De condensator C1 wordt enerzijds extra geladen via de weerstanden R2 en R3, maar anderzijds ontladen via de veel lagere weerstand R1. Na een bepaalde tijd is de spanning op het knooppunt tussen R2 en R3 zover gedaald dat de schakelaar S1 weer opent. Het gevolg is dat ook S2 opent en de uitgang weer naar 'H' gaat. De volgende cyclus kan starten.

Een astabiele multivibrator met twee schakelaars uit een CD4066B.
(© 2022 Jos Verstraten)

Wisselspanningen schakelen met een TTL-puls
Wij hebben in de inleiding van dit artikel reeds geschreven hoe u wisselspanningen kunt verwerken met een CD4066B:
       - De wisselspanning superponeren op de helft van de voedingsspanning.
       - De CD4066B symmetrisch voeden met ±5,0 V.
In dat laatste geval moet u ervoor zorgen dat ook de stuurpulsen voor de CONTROL-ingangen symmetrisch zijn. Een oplossing voor dit probleem is gebruik te maken van een CD4054B. Dat is officieel een display-driver voor LCD's, maar u kunt dat IC ook toepassen om een standaard TTL-puls om te zetten in een symmetrische puls. Het schema is getekend in de onderstaande figuur.

Een TTL-puls omvormen in een ±5,0 V puls voor CONTROL. (© 2022 Jos Verstraten)

Sample and hold met een CD4066B
Een voor de hand liggende toepassing van een elektronische schakelaar is uiteraard een schakeling waarmee u de momentane waarde van een analoge spanning kunt bewaren, bijvoorbeeld om er een monster van te nemen. Zo'n schakeling gaat door het leven onder de benaming 'sample and hold', afgekort tot 'S&H'. In de onderstaande figuur is voorgesteld hoe u dit kunt realiseren met één schakelaar uit een CD4066B.
Ook hier moet u de schakelaar voeden met symmetrische voedingsspanningen en moet de stuurpuls voor CONTROL dus ook symmetrisch zijn. De condensator C1 is de sample-condensator. De waarde van dit onderdeel is afhankelijk van hoe lang u het monster van de ingangsspanning in de condensator moet bewaren.

Een 'sample and hold' met een CD4066B. (© 2022 Jos Verstraten)

Een hexadecimaal toetsenbordje emuleren
Met twee IC's van het type CD4066B kunt u een hexadecimaal toestenbordje emuleren. Zo'n toetsenbordje bestaat uit zestien toetsen genaamd 0 tot en met 9 en A, B, C, D, # en *. Deze zestien toetsen zijn in een matrix opgenomen van vier horizontale en vier verticale lijnen. Iedere toets staat op een kruispunt van twee van die lijnen en verbindt die twee lijnen als u de toets indrukt. Met de acht schakelaars in twee stuks CD4066B kunt u zo'n toetsenbordje simuleren of met een ingewikkeld woord emuleren. Door een van de CONTROLS P0 tot en met P3 en een van de CONTROLS P4 tot en met P7 'H' te maken simuleert u het sluiten van één van de zestien schakelaars van zo'n toetsenbordje.

De emulatie van een toetsenbordje. (© 2022 Jos Verstraten)

Een wisselschakelaar met een CD4066B
Als u twee ingangssignalen naar één uitgang moet schakelen kan dat met slechts één weerstand en één CD4066B. Het schema is weergegeven in de onderstaande figuur. De elektronische schakelaar S1 werkt als inverter. Als CONTROL 'L' is wordt de schakelaar S2 gesloten en is S3 open. IN-A wordt verbonden met UIT. Als CONTOL 'H' wordt zal S3 sluiten en wordt S2 geopend. IN-B wordt doorgekoppeld naar de uitgang.

Twee ingangen naar één uitgang schakelen.
(© 2022 Jos Verstraten)

Videobronnen schakelen zonder overspraak
Iedere schakelaar, mechanisch of elektronisch, heeft in de open toestand een bepaalde parasitaire capaciteit tussen de contacten. Die capaciteit heeft voor wisselspanning een bepaalde impedantie. Die impedantie kunt u opvatten als een hoge weerstand die de open contacten van de schakelaar overbrugt. Als u dus bijvoorbeeld de analoge videosignalen van twee bewakingscamera's via een omschakelaar aan een analoge monitor wilt aanbieden via de vorige schakeling ontkomt u er niet aan dat er sprake zal zijn van een bepaalde mate van overspraak tussen de twee kanalen. De gesperde camera gaat toch via de impedantie van de open schakelaars een klein signaaltje doorkoppelen naar de uitgang van het schakelsysteem.
Met twee stuks CD4066B kunt u een omschakelaar maken die absoluut vrij is van overspraak. De twee ingangssignalen gaan via de serieschakeling van twee elektronische schakelaars uit de CD4066B IC's naar de uitgang. Maar bovendien zorgt het systeem ervoor dat de verbinding tussen beide schakelaars bij het te sperren signaal via een derde schakelaar aan de massa wordt gelegd. Eventuele overspraak van de linker schakelaar wordt dus afgevoerd naar de massa en er komt absoluut geen signaal door de rechter schakelaar. 

Een video-omschakelaar zonder overspraak. (© 2022 Jos Verstraten)

Digitaal naar analoog omvormer
In de onderstaande figuur is een uiterst eenvoudige vier bit brede DAC voorgesteld. De vier schakelaars uit een CD4066B sturen via vier gewogen weerstanden stromen met als waarden I, 2•I, 4•I en 8•I naar de inverterende ingang van een op-amp met virtueel nulpunt. Dat virtueel nulpunt ontstaat doordat de niet-inverterende ingang hard aan de massa hangt en de op-amp zich zó instelt dat ook de inverterende ingang op 0 V komt te staan. De vier stromen kunnen alleen afvloeien via de terugkoppelweerstand R5. Op de uitgang ontstaat een spanning die recht evenredig is met het aantal stromen I dat via de weerstanden wordt aangeleverd. Doorlopen de vier CONTROL-ingangen de zestien stappen van een binaire code, dus van 'L-L-L-L' tot 'H-H-H-H', dan zal op de uitgang van de schakeling een negatief verlopende trapvormige spanning ontstaan.

Een zeer eenvoudige DAC. (© 2022 Jos Verstraten)

(Banggood sponsor advertentie)
Koop uw RIDEN voeding bij Banggood