CD4051B/HCF4051B CMOS模拟多路复用器/解复用器：引脚图与功能详解

CD4051B（或其等效型号HCF4051B）是一款高性能的CMOS模拟多路复用器/解复用器，广泛应用于各种需要信号选择、路由或数据分配的电子系统中。这款集成电路以其低导通电阻、低功耗以及宽工作电压范围而闻名，是模拟信号处理和数字控制接口的理想选择。本文将深入探讨CD4051B/HCF4051B的引脚配置、各引脚的详细功能以及其在实际应用中的工作原理，并对其特性参数、应用场景和设计注意事项进行全面解析。

CD4051B属于RCA（或后来的Texas Instruments、STMicroelectronics等）CD4000系列CMOS逻辑集成电路，是一款8通道单刀八掷（SP8T）模拟开关。它允许用户通过数字控制信号选择八个输入/输出（I/O）通道中的任意一个，将其连接到公共的COM（公共）引脚。这种多路复用或解复用功能使其在数据采集、信号路由、A/D转换器输入扩展、传感器接口以及音频/视频切换等领域具有不可替代的作用。

1. CD4051B/HCF4051B 引脚图

CD4051B通常采用16引脚双列直插（DIP-16）封装或SOIC-16表面贴装封装。尽管封装形式可能不同，但其引脚排列和功能是标准化的。以下是其常见的引脚图及功能概述：

      +----+--+----+
IN/OUT0 |1   +--+ 16| VDD
IN/OUT1 |2        15| IN/OUT7
IN/OUT2 |3        14| IN/OUT6
IN/OUT3 |4        13| IN/OUT5
IN/OUT4 |5        12| IN/OUT4
INHIBIT |6        11| SEL2 (A2)
   COM  |7        10| SEL1 (A1)
   VSS  |8         9| SEL0 (A0)
      +------------+

引脚功能速览：

• IN/OUT0 - IN/OUT7 (引脚1, 2, 3, 4, 5, 12, 13, 14, 15): 8个独立的模拟信号输入/输出通道。这些引脚可以是输入，也可以是输出，具体取决于应用中信号的流向。它们内部通过模拟开关与公共COM引脚连接。

• COM (公共引脚) (引脚7): 公共输入/输出端。选定的IN/OUT通道将连接到此引脚。在多路复用模式下，多个模拟信号输入到IN/OUT通道，并通过数字选择器将其中一个信号路由到COM。在解复用模式下，COM引脚上的信号可以被路由到八个IN/OUT通道中的任意一个。

• SEL0 (A0), SEL1 (A1), SEL2 (A2) (选择引脚) (引脚9, 10, 11): 三个二进制地址选择输入。这些数字输入决定了哪个IN/OUT通道与COM引脚连接。它们形成一个3位二进制数，从000到111，对应选择IN/OUT0到IN/OUT7。

• INHIBIT (禁止引脚) (引脚6): 数字控制输入。当INHIBIT为高电平（逻辑1）时，所有模拟开关都处于截止状态（高阻态），断开所有IN/OUT通道与COM的连接，无论选择引脚的状态如何。当INHIBIT为低电平（逻辑0）时，芯片正常工作，根据SEL0-SEL2的选择连接相应的通道。

• VDD (正电源) (引脚16): 正电源连接。CMOS器件的电源电压范围通常较宽，CD4051B通常支持3V至18V的VDD。

• VSS (负电源/地) (引脚8): 负电源连接或地。在单电源供电的应用中，VSS通常连接到地。在双电源供电的应用中，VSS可以连接到负电源，例如-5V，以处理负电压的模拟信号。

理解这些引脚的功能是正确使用CD4051B的关键。每个引脚都扮演着特定的角色，共同实现了该芯片的强大功能。

2. CD4051B/HCF4051B 功能详解

CD4051B作为一款8通道模拟多路复用器/解复用器，其核心功能是实现模拟信号的选择和路由。这通过其内部的CMOS模拟开关阵列以及数字译码逻辑来实现。

2.1. 模拟开关原理

CD4051B内部包含8个独立的模拟开关，每个开关由一对互补的MOSFET（一个N沟道和一个P沟道）组成，即CMOS传输门。当开关导通时，这两个MOSFET都被偏置在导通区，提供一个低阻抗通路，允许模拟信号几乎无损地通过。当开关截止时，MOSFET被偏置在截止区，呈现极高的阻抗，从而有效地隔离信号。

CMOS传输门的优势在于其导通电阻相对稳定，并且对输入信号的极性不敏感，可以处理正负双向的模拟信号。CD4051B的导通电阻（Ron）在数百欧姆到数千欧姆之间，具体取决于电源电压和模拟信号电压。较低的导通电阻对于保持信号完整性至关重要，尤其是在处理高频或低幅度信号时。

2.2. 数字控制逻辑

CD4051B的数字控制部分负责根据SEL0、SEL1和SEL2三个选择引脚的二进制输入来激活相应的模拟开关。这三个引脚构成了一个3位二进制地址，可以产生23=8种不同的组合，每种组合对应一个特定的IN/OUT通道。

选择表（真值表）：

例如，如果SEL2=0，SEL1=0，SEL0=0，则IN/OUT0通道将与COM引脚连接，其他通道保持断开。通过改变这三个引脚的逻辑状态，用户可以动态地选择不同的模拟通道。

2.3. INHIBIT (禁止) 功能

INHIBIT引脚提供了一个全局控制功能，用于禁用或启用所有模拟开关。

• INHIBIT = 逻辑高 (VDD): 当INHIBIT引脚被设置为高电平（接近VDD）时，CD4051B的所有模拟开关都将被强制断开，无论SEL0-SEL2的选择状态如何。这意味着所有IN/OUT通道都将与COM引脚隔离，进入高阻态。这个功能在需要完全断开所有信号连接、节省功耗或在系统初始化过程中防止不确定状态时非常有用。

• INHIBIT = 逻辑低 (VSS): 当INHIBIT引脚被设置为低电平（接近VSS）时，CD4051B正常工作，根据SEL0-SEL2引脚的输入来选择相应的通道。这是芯片的正常工作模式。

这个INHIBIT功能为系统设计提供了额外的灵活性和安全性，允许在需要时完全关闭模拟通道。

2.4. 单电源与双电源供电

CD4051B/HCF4051B支持两种主要的供电模式：

• 单电源供电: 在这种模式下，VSS引脚连接到地（0V），VDD连接到正电源（例如+5V、+12V等）。在这种配置下，模拟信号的电压范围必须限制在VSS和VDD之间。通常，模拟输入信号的范围应介于VSS和VDD减去CMOS传输门导通所需的最小电压（通常为1V-2V）之间。这意味着如果VSS=0V，VDD=5V，模拟信号通常应在0V到3V或4V之间。这种模式适用于处理单极性模拟信号，例如来自传感器或数字-模拟转换器（DAC）的输出。

• 双电源供电: 为了处理负电压的模拟信号，CD4051B可以采用双电源供电。在这种模式下，VSS引脚连接到负电源（例如-5V），VDD连接到正电源（例如+5V）。这样，模拟信号的电压范围就可以覆盖从负电源到正电源之间的宽范围（例如-5V到+5V）。CMOS传输门能够在其电源轨之间有效传输模拟信号，使其非常适合需要处理双极性信号的应用，例如音频信号处理或某些工业控制系统。

选择哪种供电模式取决于具体应用中模拟信号的特性。双电源模式虽然提供了更大的灵活性，但通常需要更复杂的电源管理。

2.5. 多路复用与解复用功能

• 多路复用器 (Multiplexer): 当CD4051B用作多路复用器时，它将多个独立的模拟输入信号（连接到IN/OUT0-IN/OUT7）中的一个，根据数字选择引脚SEL0-SEL2的输入，路由到公共的COM引脚。例如，您可以将八个不同的传感器输出连接到IN/OUT引脚，然后通过数字控制器选择其中一个传感器的信号输入到ADC进行测量。

• 解复用器 (Demultiplexer): 当CD4051B用作解复用器时，它将公共COM引脚上的一个模拟输入信号，根据数字选择引脚SEL0-SEL2的输入，路由到八个独立的IN/OUT输出通道中的一个。例如，您可以将一个模拟信号（如音频或视频）从COM输入，然后将其路由到八个不同的显示器或扬声器中的一个。

CD4051B的“双向”特性使得它可以同时作为多路复用器和解复用器使用，这大大增加了其应用的灵活性。

3. CD4051B/HCF4051B 特性参数

了解CD4051B的关键电气特性对于正确设计和预测其性能至关重要。这些参数通常可以在数据手册中找到，但以下列出了一些最重要的参数及其含义：

3.1. 电源电压范围 (VDD - VSS)

• 通常为3V至18V。这个宽范围使得CD4051B可以兼容各种数字逻辑电平（如3.3V、5V）以及一些更高的模拟电源电压。保持电源电压在规定范围内是确保芯片正常工作和避免损坏的关键。

3.2. 模拟信号电压范围

• VSS ≤ V_in/out ≤ VDD。 模拟信号的峰峰值电压必须始终保持在电源电压VSS和VDD之间。超出这个范围可能会导致二极管导通（闩锁效应）或损坏器件。在双电源供电时，模拟信号可以为负值，但仍需保持在VSS和VDD之间。

3.3. 导通电阻 (Ron)

• 通常在几百欧姆到几千欧姆之间，具体取决于VDD电压、模拟信号电压以及温度。Ron是衡量开关导通时对信号阻碍程度的关键参数。Ron越小，信号损耗越小，尤其对于低幅度信号或需要高精度测量的应用。例如，在VDD=10V时，Ron可能约为80欧姆。在VDD=5V时，Ron可能增加到150欧姆以上。

3.4. 截止泄漏电流 (I_leak)

• 当开关截止时，IN/OUT通道和COM之间仍然会有微小的漏电流流过。这个电流通常在纳安（nA）级别。尽管很小，但在高阻抗电路或长时间积分电路中，泄漏电流可能会导致误差积累。

3.5. 开关速度 (t_on/t_off)

• 指模拟开关从截止到导通（t_on）和从导通到截止（t_off）所需的时间。这些参数通常在数十纳秒到数百纳秒的范围内，表明了芯片响应数字控制信号的速度。对于高频信号切换应用，更快的开关速度是必要的。

3.6. 串扰 (Crosstalk)

• 衡量一个未选中的通道上的信号对选中通道上信号的影响。理想情况下，未选中的通道应该与选中通道完全隔离。然而，由于寄生电容，总会有一些串扰。CD4051B的串扰通常在-60dB到-90dB之间，这对于大多数模拟应用来说是可接受的。

3.7. 关断隔离 (Off-Isolation)

• 衡量当开关处于截止状态时，信号从一个端口到另一个端口的衰减程度。它与串扰类似，但更侧重于单个通道的隔离能力。

3.8. 总谐波失真 (THD)

• 衡量通过开关后模拟信号的失真程度。理想的开关应该对信号不引入任何非线性失真。CMOS开关的THD通常较低，使其适用于音频和视频信号。

3.9. 功耗

• CD4051B作为CMOS器件，其静态功耗极低，通常在微安（µA）级别。动态功耗会随着开关频率的增加而增加，因为每次开关状态改变都会产生瞬态电流。这使得它非常适合电池供电和低功耗应用。

理解这些特性参数有助于工程师选择合适的芯片、设计周边电路以及评估其在特定应用中的性能限制。

4. CD4051B/HCF4051B 典型应用场景

CD4051B由于其多功能性和可靠性，在各种电子系统中都有广泛应用。以下是一些典型的应用场景：

4.1. 数据采集系统

在需要从多个传感器（如温度传感器、压力传感器、光敏电阻等）采集模拟数据的系统中，CD4051B可以作为前端多路复用器。通过将多个传感器输出连接到IN/OUT通道，并使用微控制器控制SEL0-SEL2引脚，可以将各个传感器的信号顺序地路由到一个模拟-数字转换器（ADC）的输入端。这显著减少了所需的ADC数量，降低了系统成本和复杂性。

例如，一个多通道温度监测系统可以使用CD4051B来依次读取8个热敏电阻的电压值。微控制器通过I/O口控制CD4051B的选择引脚，每次选择一个热敏电阻，然后启动ADC转换，读取相应的温度数据。

4.2. 信号路由与切换

CD4051B可以用于各种模拟信号的路由和切换。例如：

• 音频/视频切换: 在家庭影院系统、音频混音器或视频矩阵切换器中，CD4051B可以用于选择多个音频或视频源中的一个，将其路由到放大器或显示器。由于其低失真特性，它非常适合这种应用。

• 测试与测量设备: 在自动测试设备（ATE）中，CD4051B可以用于将测试信号路由到不同的测试点，或将多个测量点的反馈信号路由到测量仪器。

• 通信系统: 在一些低频通信系统中，CD4051B可以用于切换不同的信号路径或天线。

4.3. 函数发生器/波形发生器

在一些简易的函数发生器或波形发生器中，CD4051B可以用于在不同的波形生成模块之间进行切换，或者选择不同的频率范围。例如，可以将正弦波、方波、三角波等不同的波形信号连接到IN/OUT通道，然后通过CD4051B选择输出所需的波形。

4.4. ADC/DAC 输入/输出扩展

对于I/O资源有限的微控制器，CD4051B可以有效地扩展ADC的输入通道或DAC的输出通道。一个8位ADC通常只有一个模拟输入，但通过连接一个CD4051B，微控制器可以通过3个数字I/O线来访问8个模拟输入通道。类似地，一个单通道DAC可以通过CD4051B将其模拟输出分配到8个不同的负载。

4.5. 电池供电系统中的电源管理

在一些低功耗应用中，CD4051B可以用于切换不同电源轨，或者在不使用时切断某些电路模块的电源，从而有效降低系统功耗。其极低的静态功耗使其成为电池供电设备的理想选择。

4.6. 电平转换与隔离（有限制）

尽管不是专门的电平转换器，但CD4051B可以在一定程度上实现不同电压域之间模拟信号的传递，前提是模拟信号电压在芯片的电源轨范围内。例如，在5V数字逻辑控制下，它可以处理12V的模拟信号，只要模拟信号电压不超过VDD（12V）和不低于VSS（0V）。然而，它不提供数字逻辑电平转换功能，数字控制信号（SEL0-SEL2, INHIBIT）的逻辑高电平需要接近VDD。

5. CD4051B/HCF4051B 设计注意事项

在使用CD4051B/HCF4051B进行电路设计时，需要考虑一些关键因素，以确保其性能、可靠性和稳定性。

5.1. 电源去耦

在VDD引脚和VSS引脚之间（靠近芯片）放置一个0.1µF到1µF的陶瓷去耦电容。这个电容有助于滤除电源线上的高频噪声，并提供瞬态电流，以应对开关切换时芯片内部的电流尖峰。良好的去耦是确保数字逻辑稳定性和模拟信号完整性的基础。对于双电源供电，需要在VDD到地和VSS到地之间都放置去耦电容。

5.2. 数字控制信号的逻辑电平

确保SEL0、SEL1、SEL2和INHIBIT引脚的数字控制信号的逻辑高电平接近VDD，逻辑低电平接近VSS。如果数字控制信号的电平与CD4051B的VDD/VSS不完全兼容（例如，微控制器使用3.3V供电，而CD4051B使用5V供电），可能需要进行电平转换，以确保CD4051B能够正确识别逻辑状态，并避免不确定状态或增加功耗。通常，CMOS逻辑的输入阈值约为电源电压的一半。

5.3. 模拟信号的电压限制

严格遵守模拟信号电压范围限制：VSS ≤ V_analog ≤ VDD。超出此范围可能会导致芯片内部的保护二极管导通，引起非线性失真，甚至可能损坏器件，特别是当模拟信号电压大幅度超出电源轨时。如果模拟信号可能超出电源轨，应考虑在输入端增加限幅保护电路，例如使用肖特基二极管钳位到电源轨。

5.4. 导通电阻的影响

CD4051B的导通电阻（Ron）不是零，且会随电源电压、模拟信号电压和温度而变化。在设计中，应将Ron视为与负载串联的电阻。

• 对信号衰减的影响: 如果负载电阻远大于Ron，Ron的影响可以忽略。但如果负载电阻与Ron相当或更小，Ron会导致信号衰减，尤其是在高频下。

• 对带宽的影响: Ron与负载电容或寄生电容会形成一个RC滤波器，限制了通过开关的信号带宽。这在处理高频模拟信号时尤为重要。

• 对精度测量的影响: 在高精度测量应用中，Ron的变化可能会引入误差。在这种情况下，可能需要使用更低Ron的模拟开关，或者在后级增加一个高输入阻抗的缓冲器。

5.5. 泄漏电流的影响

虽然CMOS开关的泄漏电流非常小（纳安级别），但在极高阻抗的电路或长时间积分电路中，这些微小的电流可能导致信号漂移或测量误差。在设计此类应用时，应仔细评估泄漏电流的影响，并可能需要采取额外的措施来补偿或最小化其影响。

5.6. 串扰和关断隔离

在多路复用或解复用应用中，串扰是需要考虑的因素。当一个通道导通时，相邻未导通的通道可能会有微弱的信号耦合过来。这对于敏感的模拟信号（如低电平音频信号）可能是一个问题。在布局布线时，应尽量保持模拟信号走线之间的距离，并考虑使用地线进行屏蔽，以减少串扰。

5.7. 静电放电 (ESD) 保护

与所有CMOS器件一样，CD4051B对静电放电敏感。在处理和安装过程中，应采取适当的ESD防护措施，例如佩戴防静电腕带，使用防静电工作台和工具。

5.8. 未使用引脚的处理

所有未使用的数字输入引脚（如未使用的SEL引脚，如果只用到部分通道）应连接到VDD或VSS，以防止它们浮空并捕获噪声，从而导致不稳定的工作状态或增加功耗。模拟IN/OUT引脚如果未使用，最好保持浮空或连接到COM引脚，具体取决于应用。

5.9. PCB布局考虑

• 模拟和数字信号分离: 尽量将模拟信号走线与数字信号走线分开，以减少数字噪声对模拟信号的干扰。

• 地线规划: 采用星形接地或单点接地，以避免地线环路和噪声耦合。模拟地和数字地可以分开，并在一点汇合。

• 走线长度: 尽量缩短模拟信号走线长度，以减少寄生电容和电感。

• 散热: 虽然CD4051B功耗较低，但在某些高频率或大电流应用中，仍需注意散热，以防止温度过高影响性能。

6. CD4051B与其他模拟开关的比较

市场上存在多种模拟开关产品，除了CD4051B之外，还有其他4000系列模拟开关（如CD4052B、CD4053B）以及更现代的模拟开关（如MAXIM、Analog Devices、Texas Instruments等公司的产品）。了解CD4051B的特点以及与其他产品的区别，有助于在具体应用中做出最佳选择。

6.1. CD4051B vs. CD4052B/CD4053B

• CD4052B: 这是一款4通道双刀双掷（DPDT）模拟开关。它包含两个独立的4通道多路复用器/解复用器，每个都由2个选择引脚（A0, A1）控制。适用于需要同时处理两组独立4通道信号的应用。

• CD4053B: 这是一款3通道双刀单掷（SPDT）模拟开关。它包含三个独立的单刀双掷模拟开关，每个都由一个独立的控制引脚控制。适用于需要独立控制三对信号切换的应用。

这些4000系列模拟开关都具有相似的CMOS工艺特性、宽电源电压范围和低功耗。选择哪个型号取决于所需的通道数量和开关配置。CD4051B是8通道单端多路复用器的标准选择。

6.2. CD4051B vs. 现代模拟开关

与CD4051B相比，许多现代模拟开关产品在性能上有了显著提升：

• 更低的导通电阻 (Ron): 现代模拟开关可以实现低至几欧姆甚至几十毫欧的导通电阻，这对于高精度、大电流或低电压应用非常有利，能够显著减少信号损耗和失真。

• 更宽的带宽: 现代模拟开关通常具有更高的带宽，可以处理更高频率的模拟信号，适用于视频、射频等应用。

• 更低的泄漏电流: 进一步降低了泄漏电流，提高了在极端条件下的测量精度。

• 更小的封装: 提供更小尺寸的封装（如SC70、SOT23等），适用于小型化设计。

• 更低的电源电压操作: 许多现代模拟开关可以在低至1.8V甚至更低的电源电压下工作，适应现代低功耗数字系统的需求。

• 更强的ESD保护: 通常具有更 robust 的ESD保护，减少了静电损坏的风险。

• 额外的特性: 一些现代模拟开关集成了额外的特性，如轨到轨信号处理、欠压锁定、过压保护等，提供了更高的设计灵活性和保护。

何时选择CD4051B？

尽管现代模拟开关性能更优越，但CD4051B仍然在许多应用中具有优势：

• 成本效益: CD4051B是成本非常低的通用模拟开关，对于预算敏感的项目是一个很好的选择。

• 宽电源电压范围: 18V的VDD使其能够处理相对较高的模拟电压，这是许多现代低压模拟开关无法做到的。

• 成熟可靠: 作为一款经典的CMOS器件，CD4051B经过了时间的检验，具有高度的可靠性和稳定性。

• 易于使用: 其简单的数字控制接口和相对宽松的电气特性使得它易于集成到各种电路中。

• 教育和原型设计: 在教学、学生项目和快速原型设计中，CD4051B因其易用性和广泛的资料支持而广受欢迎。

何时考虑现代模拟开关？

• 对信号完整性要求极高（超低Ron，超低失真）。

• 需要处理非常高的频率信号。

• 空间受限，需要小型化封装。

• 系统电源电压非常低（如1.8V或2.5V）。

• 需要集成额外的保护功能。

总的来说，CD4051B是一款功能强大、应用广泛且经济实惠的模拟多路复用器/解复用器。在许多不需要最高性能指标的通用模拟信号处理和控制应用中，它仍然是优秀的选择。

7. 总结

CD4051B/HCF4051B作为一款经典的CMOS 8通道模拟多路复用器/解复用器，以其简单易用的数字控制接口、宽泛的电源电压范围、低功耗以及可靠的性能，在电子工程领域占据着重要地位。

我们详细探讨了其16个引脚的配置及其各自的功能：从8个灵活的IN/OUT模拟通道，到作为核心信号通路的COM引脚；从决定通道选择的SEL0、SEL1、SEL2数字选择引脚，到提供全局开关控制的INHIBIT引脚；以及为芯片提供能量的VDD和VSS电源引脚。对这些引脚功能的深入理解是掌握CD4051B应用的基础。

此外，我们剖析了CD4051B的工作原理，包括其内部CMOS传输门的模拟开关机制、数字译码逻辑如何将二进制选择输入转换为具体的通道连接，以及INHIBIT功能如何实现对所有通道的强制断开。我们还区分了其在单电源和双电源模式下的工作差异，及其作为多路复用器和解复用器的双重角色。

在特性参数部分，我们强调了导通电阻、泄漏电流、开关速度、串扰和功耗等关键指标的重要性，这些参数直接影响芯片在实际应用中的性能表现。而在应用场景方面，我们列举了数据采集、信号路由、ADC/DAC扩展以及电源管理等多种典型用例，展示了CD4051B的广泛适用性。

最后，在设计注意事项中，我们提供了电源去耦、信号电平匹配、电压限制、导通电阻影响、泄漏电流、串扰、ESD保护、未使用引脚处理以及PCB布局等方面的实用建议，旨在帮助工程师避免潜在问题，优化电路性能。同时，通过与CD4052B/CD4053B以及现代模拟开关的比较，我们明确了CD4051B的市场定位和选择依据，为读者提供了更全面的器件选型视角。

尽管模拟开关技术不断发展，涌现出更多高性能、低功耗、小尺寸的新产品，但CD4051B凭借其卓越的性价比和稳定性，依然是许多通用模拟信号处理和控制应用的理想选择。掌握其引脚功能、工作原理和设计要点，将有助于您在各种电子项目中有效利用这一经典的集成电路。