Was ist ein CD4051 8-Kanal-Analog-Multiplexer und Demultiplexer?
Der CD4051 ist ein 8-Kanal-Analog-Multiplexer und Demultiplexer, der durch digitale Signale gesteuert wird und daher häufig als digital gesteuerter Analogschalter bezeichnet wird. Er verfügt über drei Steuereingänge (A, B, C), mit denen jeweils einer der acht Kanäle mit dem Ausgang verbunden werden kann, um das gewünschte Signal zu erhalten.
Einführung in den CD4051
Der CD4051 zeichnet sich durch einen sehr niedrigen Sperrstrom im AUS-Zustand und eine niedrige EIN-Impedanz aus. Über den gesamten Spannungsbereich hinweg verbraucht der CD-4051 sehr wenig Leistung, was ihn für energieeffiziente Anwendungen besonders geeignet macht.
Ein besonderes Merkmal des CD4051 ist die integrierte binäre Adressdecodierung, die eine einfache Ansteuerung ermöglicht. Die Break-before-Make-Schaltcharakteristik verhindert eine Überlagerung von Kanälen und sorgt für eine saubere Signalübertragung. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig bei zeitkritischen Anwendungen, bei denen eine gleichzeitige Übertragung mehrerer Signale zu Fehlern führen könnte.
Der CD4051 kann mit einer breiten Palette von Analogsignalen sowie verschiedenen digitalen Signalpegeln arbeiten. Diese Vielseitigkeit macht ihn zu einem idealen Baustein für verschiedene Anwendungen wie Signalschaltung, Analog-Digital-Wandlung, Digital-Analog-Wandlung sowie analoges und digitales Multiplexen und Demultiplexen. Wenn der CD4051 als Demultiplexer verwendet wird, fungieren die Kanal-E/A-Anschlüsse als Ausgänge, während der gemeinsame E/A-Anschluss zum Eingang wird.
CD4051 Pins & Pin-Funktionen
Der CD4051 verfügt über insgesamt 16 Pins mit verschiedenen Funktionen. Drei dieser Pins dienen als Eingänge (Steuerungspins A, B, C), acht als Ein-/Ausgänge (I/O Pins 0-7), drei als Spannungsversorgungsanschlüsse (VDD, VSS, VEE), ein Pin als Inhibit-Signal und ein Pin als gemeinsamer Ein-/Ausgang (O/I).
Die Steuerungspins A, B und C bilden zusammen einen 3-Bit-Binärcode, der bestimmt, welcher der acht Kanäle aktiv ist. Der Inhibit-Pin (Pin 6) dient als Aktivierungskontrolle – wenn dieser Pin auf logisch HIGH gesetzt wird, werden alle Schalter deaktiviert, unabhängig vom Status der Steuereingänge. Der gemeinsame O/I-Pin (Pin 3) fungiert als zentraler Knoten, der je nach Betriebsmodus (Multiplexer oder Demultiplexer) als Eingang oder Ausgang genutzt wird.
| Pin-Nr. | Pin-Name | Funktion |
|---|---|---|
| 1 | OUT/IN | Gemeinsamer Ein-/Ausgang für alle Kanäle |
| 2, 4, 5, 7, 8, 9, 12, 14 | Kanal 0-7 | Acht Ein-/Ausgänge, die mit dem gemeinsamen Pin verbunden werden können |
| 3 | VEE | Negative Versorgungsspannung |
| 6 | Inhibit | Deaktiviert alle Schalter, wenn HIGH |
| 10 | Eingang C | Steuereingang (MSB) |
| 11 | Eingang B | Steuereingang (mittleres Bit) |
| 13 | Eingang A | Steuereingang (LSB) |
| 15 | VSS | Negative Versorgungsspannung (oft Masse) |
| 16 | VDD | Positive Versorgungsspannung |
CD4051 Pinbelegung
Die Pinbelegung des CD4051 ist sorgfältig durchdacht, um eine effiziente Signalverarbeitung zu ermöglichen. Die Anordnung der Pins folgt einer logischen Struktur, wobei die Versorgungsspannungen an den Rändern und die Signalpins dazwischen angeordnet sind. Die Steuerungseingänge A, B und C befinden sich auf einer Seite des Gehäuses (Pins 10, 11 und 13), während die Kanalanschlüsse auf beide Seiten verteilt sind.
Diese Anordnung minimiert potenzielle Signalinterferenzen und erleichtert das PCB-Design. Bei der Implementierung des CD-4051 in eigenen Schaltungen ist es wichtig, die korrekte Pinbelegung zu beachten, da eine falsche Verbindung zu unvorhersehbarem Verhalten oder sogar zur Beschädigung des Bausteins führen kann. Die Steuerungseingänge A, B und C bestimmen durch ihre binäre Kombination, welcher der acht Kanäle mit dem gemeinsamen O/I-Pin verbunden wird, wie in der folgenden Tabelle dargestellt:
| C | B | A | Aktiver Kanal |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | Kanal 0 |
| 0 | 0 | 1 | Kanal 1 |
| 0 | 1 | 0 | Kanal 2 |
| 0 | 1 | 1 | Kanal 3 |
| 1 | 0 | 0 | Kanal 4 |
| 1 | 0 | 1 | Kanal 5 |
| 1 | 1 | 0 | Kanal 6 |
| 1 | 1 | 1 | Kanal 7 |
CD4051 Gehäuseformen
Der CD4051 ist in fünf verschiedenen Gehäuseformen erhältlich, die unterschiedliche Montageanforderungen und Platzansprüche erfüllen. Jede Gehäuseform hat ihre eigenen spezifischen Abmessungen und Eigenschaften, die bei der Auswahl für eine bestimmte Anwendung berücksichtigt werden sollten.
Die Verfügbarkeit verschiedener Gehäuseformen ermöglicht eine flexible Integration in unterschiedliche Schaltungslayouts und Platinen. Bei der Auswahl des geeigneten Gehäuses sollten Faktoren wie verfügbarer Platz auf der Platine, Montageart (Durchsteckmontage oder Oberflächenmontage) und thermische Anforderungen berücksichtigt werden.
| Gehäusetyp | Beschreibung | Abmessungen (mm) |
|---|---|---|
| PDIP-16 | Plastic Dual In-line Package | 19.3 x 6.35 x 3.3 |
| SOIC-16 | Small Outline Integrated Circuit | 9.9 x 3.9 x 1.55 |
| TSSOP-16 | Thin Shrink Small Outline Package | 5.0 x 4.4 x 1.1 |
| CDIP-16 | Ceramic Dual In-line Package | 19.8 x 7.62 x 3.5 |
| PLCC-16 | Plastic Leaded Chip Carrier | 8.89 x 8.89 x 2.29 |
CD4051 Schaltplan
Eine grundlegende Anwendung des CD4051 ist die Implementierung eines einfachen Analogsignal-Selektors. In dieser Beispielschaltung werden verschiedene Analogsignale an die acht Kanaleingänge angelegt, und je nach digitalem Steuercode wird eines dieser Signale zum Ausgang durchgeschaltet.
In dieser Schaltung wird der CD4051 als Multiplexer eingesetzt, um eines von acht Analogsignalen auszuwählen. Die Auswahl erfolgt über die Steuereingänge A, B und C, die zusammen einen 3-Bit-Binärcode bilden. Das ausgewählte Signal wird dann am gemeinsamen OUT/IN-Pin (Pin 1) ausgegeben.
Die Versorgungsspannung wird über VDD (Pin 16) und VSS (Pin 15) bereitgestellt, wobei VSS typischerweise mit Masse verbunden wird. Der VEE-Anschluss (Pin 3) kann für eine negative Versorgungsspannung genutzt werden, wenn negative Signalpegel verarbeitet werden sollen. Bei Anwendungen mit nur positiven Signalen kann VEE auch mit VSS verbunden werden.
Der Inhibit-Pin (Pin 6) fungiert als globaler Aktivierungsschalter – wenn er auf HIGH gesetzt wird, werden alle internen Schalter deaktiviert, unabhängig vom Status der Steuereingänge. Dieser Pin sollte auf LOW gehalten werden, um den normalen Betrieb zu ermöglichen, und kann auf HIGH gesetzt werden, um alle Verbindungen zu trennen.
CD4051 Leistung – Strom & Spannung
Der CD4051 bietet eine beeindruckende Leistungsfähigkeit bei geringem Stromverbrauch. Er kann mit Versorgungsspannungen von 3V bis 15V betrieben werden, was ihn für eine Vielzahl von Anwendungen, von batteriebetriebenen Geräten bis hin zu industriellen Systemen, geeignet macht.
Die Leistungsaufnahme im Ruhezustand ist extrem niedrig, was die Batterielebensdauer in tragbaren Anwendungen verlängert. Im aktiven Zustand bleibt der Stromverbrauch moderat, wodurch der CD-4051 eine energieeffiziente Lösung für Multiplexing-Anforderungen darstellt.
| Parameter | Min | Typ | Max | Einheit |
|---|---|---|---|---|
| Versorgungsspannung (VDD-VSS) | 3 | 5/10 | 15 | V |
| Versorgungsspannung (VDD-VEE) | 3 | 5/10 | 15 | V |
| Ruhestrom (VDD = 5V) | – | 0.25 | 1 | µA |
| Ruhestrom (VDD = 10V) | – | 0.5 | 2 | µA |
| Ruhestrom (VDD = 15V) | – | 1 | 4 | µA |
| Betriebstemperatur | -55 | 25 | 125 | °C |
CD4051 Eigenschaften
Der CD4051 bietet zahlreiche vorteilhafte Eigenschaften, die ihn zu einer beliebten Wahl für vielseitige Anwendungen machen. Seine Kombination aus niedriger Leistungsaufnahme, breitem Betriebsspannungsbereich und flexiblen Signalmöglichkeiten machen ihn zu einem vielseitigen Baustein in der Elektronikentwicklung.
Besonders bemerkenswert ist die Break-before-Make-Schaltcharakteristik, die sicherstellt, dass beim Umschalten zwischen Kanälen keine unerwünschten Kurzschlüsse oder Signalüberlagerungen auftreten. Diese Eigenschaft ist entscheidend für präzise Signalverarbeitung und Messsysteme.
| Eigenschaft | Beschreibung |
|---|---|
| Digitale Steuerung | 3-Bit-Binärcode (A, B, C) ermöglicht einfache Ansteuerung durch Mikrocontroller |
| Break-before-Make-Schaltung | Verhindert Überlappung von Kanälen beim Umschalten |
| Niedrige ON-Impedanz | Typisch 125 Ohm bei VDD = 15V, ermöglicht verlustarme Signalübertragung |
| Geringer OFF-Leckstrom | Nur wenige nA, verhindert Signaleinstreuungen bei inaktiven Kanälen |
| Weiter Signalbereich | Kann Signale nahezu rail-to-rail verarbeiten |
| Inhibit-Funktion | Ermöglicht globale Deaktivierung aller Kanäle |
| Bidirektionale Übertragung | Funktioniert in beide Richtungen, ideal für Multiplexer- und Demultiplexer-Anwendungen |
| Auf-Chip-Decodierung | Binäre Adressdecodierung direkt im Chip, reduziert externe Logik |
CD4051 Anwendungen
Der CD4051 findet aufgrund seiner Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit Anwendung in zahlreichen elektronischen Systemen. Seine Fähigkeit, zwischen mehreren Signalquellen umzuschalten oder ein Signal auf verschiedene Wege zu verteilen, macht ihn zu einem fundamentalen Baustein in vielen Schaltungen.
Besonders hervorzuheben ist die Eignung des CD-4051 für analoge Signalverarbeitung, wobei er auch für digitale Signale verwendet werden kann, solange die Signalpegel innerhalb seiner Betriebsparameter liegen. Die digitale Steuerung ermöglicht eine einfache Integration in Mikrocontroller-basierte Systeme.
Einige der wichtigsten Anwendungen sind:
- Analog-zu-Digital-Wandler-Systeme (ADC) mit Mehrkanaleingängen
- Digital-zu-Analog-Wandler-Systeme (DAC) mit Mehrkanal-Ausgängen
- Sensordaten-Multiplexing in Messsystemen
- Audio-Signalschaltung in Mischpulten und Audiogeräten
- Tastatur- und Tastenfeld-Scanning in Benutzerschnittstellen
- LED- und Display-Multiplexing für Multi-Segment-Anzeigen
- Signalgeneratoren mit mehreren programmierbaren Ausgängen
- Kommunikationssysteme mit mehreren Signalwegen
- Steuerungssysteme für mehrere Lasten oder Aktuatoren
- Datenlogger mit mehreren Eingangsquellen
CD4051 Äquivalent & Alternativen
In manchen Anwendungsfällen kann es nötig sein, Alternativen zum CD4051 in Betracht zu ziehen, sei es aufgrund von Verfügbarkeitsproblemen, spezifischen Leistungsanforderungen oder Kostengründen. Es gibt mehrere kompatible und funktional ähnliche Bauteile auf dem Markt.
Bei der Auswahl einer Alternative sollten Parameter wie Versorgungsspannung, ON-Widerstand, Schaltgeschwindigkeit und Signalbereich sorgfältig geprüft werden, um eine optimale Kompatibilität mit der vorhandenen Schaltung zu gewährleisten. In manchen Fällen kann ein direkter Austausch möglich sein, während in anderen Fällen geringfügige Anpassungen der Schaltung erforderlich sein können.
Folgende Bauteile können als Alternativen oder Äquivalente zum CD4051 betrachtet werden:
- 74HC4051: Eine schnellere Version mit HCMOS-Technologie und geringerer Leistungsaufnahme
- 74HCT4051: Ähnlich dem 74HC4051, aber mit TTL-kompatiblen Eingangspegeln
- MC14051B: Motorola/Freescale/NXP-Version mit ähnlichen Eigenschaften
- HEF4051B: Philips/NXP-Version des CD4051
- DG408: 8-Kanal-Analog-Multiplexer mit geringerem ON-Widerstand
- MAX4051: Verbesserte Version mit geringerem Widerstand und schnelleren Schaltzeiten
- ADG408: Präzisions-8-Kanal-Analog-Multiplexer von Analog Devices
- CD74HC4051: Texas Instruments Version mit verbesserten Schaltparametern
- TC4051BP: Toshiba-Version des CD4051
- MC74HC4051A: ON Semiconductor Version mit verbesserten Eigenschaften
Zusammenfassung
Der CD4051 ist ein vielseitiger 8-Kanal-Analog-Multiplexer und Demultiplexer, der sich durch einen niedrigen Leistungsverbrauch, geringe ON-Impedanz und minimalen OFF-Leckstrom auszeichnet. Seine Fähigkeit, sowohl analoge als auch digitale Signale zu verarbeiten, macht ihn zu einem wertvollen Baustein in zahlreichen elektronischen Anwendungen, von einfachen Signalschaltern bis hin zu komplexen Datenerfassungssystemen.
Die Break-before-Make-Schaltcharakteristik verhindert Kanalüberlappungen und gewährleistet eine saubere Signalübertragung. Der weite Betriebsspannungsbereich von 3V bis 15V ermöglicht den Einsatz in verschiedenen Systemen, von batteriebetriebenen Geräten bis hin zu industriellen Anwendungen.
Mit seinen 16 Pins, darunter drei Steuereingänge und acht Kanalanschlüsse, bietet der CD-4051 eine effiziente Lösung für Multiplexing-Anforderungen. Die integrierte binäre Adressdecodierung vereinfacht die Ansteuerung und reduziert den Bedarf an externer Logik.
Obwohl es mehrere Alternativen und äquivalente Bauteile gibt, bleibt der CD4051 aufgrund seiner Zuverlässigkeit, Vielseitigkeit und seines etablierten Designs eine beliebte Wahl für Entwickler. Seine Anwendungen erstrecken sich über verschiedene Bereiche, einschließlich Sensordatenerfassung, Signalverarbeitung, Kommunikationssysteme und Benutzerschnittstellen.
CD4051 Datenblatt
Weitere Informationen gibt es in dem CD4051 Datenblatt zum Download.
Letztes Update des Artikels: 3. April 2025
