Como funcionam os multiplexadores/demultiplexadores digitais 4051/4052/4053 (ART370)

Chaves que controlam sinais analógicos a partir de comandos digitais, totalmente de estado sólido, podem ser utilizadas numa infinidade de projetos. Os três componentes que descrevemos neste artigo são muito versáteis, fáceis de obter e podem ser usados numa ampla gama de aplicações, mas para isso é preciso conhecer seu princípio de funcionamento e suas características. A finalidade deste artigo, que o leitor deve guardar com carinho para consulta, é justamente esta.

Descrevemos neste artigo três circuitos integrados CMOS que contém multiplexadores e demultiplexadores com as seguintes características:

4051 - um multiplexador/demultiplexador de 8 canais

4052 - dois multiplexadores/demultiplexadores de 4 canais

4053 - três multiplexadores/demultiplexadores de 2 canais

 

Os invólucros destes três componentes são mostrados na figura 1.

 

Pinagens do 4051 / 4052 / 4053.
Pinagens do 4051 / 4052 / 4053.

 

 

Conforme o fabricante, estes componentes podem ter algumas letras iniciais que o identificam, como por exemplo "MC" para a Motorola que os apresenta como MC14051, MC14052, MC14053, ou ainda "CD" para a National e SD para a SID Microeletrônica.

 

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

Vamos supor que tenhamos um multiplexador/demultiplexador de 4 canais, conforme representado na figura 2.

 

Circuito equivalente a um MUX / DEMUX.
Circuito equivalente a um MUX / DEMUX.

 

Como este circuito funciona nos dois sentidos, será interessante separar os modos de operação.

Assim, quando ele está funcionando como um multiplexador, temos 4 entradas e uma saída. Temos também entradas de controle digital, conforme mostra a figura 3.

 

Funcionamento como MUX.
Funcionamento como MUX.

 

Nas entradas podemos sinais analógicos de baixa intensidade como por exemplo de um pré-amplificador de áudio.

Os níveis digitais aplicados nas entradas de controle vao determinar qual será a entrada que vai ser conectada à saída.

Por exemplo, se a entrada de controle for 011, o que em binário indica "3" os sinais da terceira entrada passarão para a saída encontrando um percurso de baixa resistência.

As demais entradas estarão desligadas.

Para uma resistência de carga da ordem de 10 k?, a resistência apresentada pelas chaves ligadas, ou seja, pela conexão da entrada selecionada com a saída será da ordem de 120 ?.

Esta resistência varia tanto com a resistência de carga como com a tensão de alimentação.

Na operação inversa, temos uma entrada e quatro saídas, conforme mostra a figura 4.

 

Funcionamento como DEMUX.
Funcionamento como DEMUX.

 

Os níveis lógicos aplicados nas entradas de controle (A,B e C) vão determinar para qual saída vai ser enviado o sinal presente na entrada. Em outras palavras, o circuito funciona como um "distribuidor" de sinais.

Dentre as aplicações possíveis para este circuito podemos indicar um mixer-digital em que um sequencial muito rápido, operando em torno de 100 kHz seria usado para selecionar as entradas que apareceriam na saída em amostragens, conforme mostra a figura 5.

 

Sugestão para um mixer digital.
Sugestão para um mixer digital.

 

Um circuito de duas entradas e uma saída também poderia ser usado para a multiplexação dos sinais de áudio de um amplificador estéreo para que eles fossem aplicados num transmissor de FM.

Inversamente, pode-se usar os componentes como demultiplexadores (DEMUX) para dirigir sinais de uma fonte a amplificadores determinados num sistema de som.

 

CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS

Para operar com sinais digitais os circuitos analisados precisam de fonte simétrica.

A tensão de alimentação pode variar entre +5 e +15V para fonte não simétrica e deve ficar na faixa de -5 a +5V para operação com sinais analógicos.

Temos então as seguintes características a destacar:

* Os sinais digitais podem ficar na faixa de 3 a 15V e os analógicos podem ter até 15Vpp.

* A resistência ON das chaves para 15Vpp de sinal de entrada e 15V de alimentação é da ordem de 80 ? (tip).

* A resistência das chaves na condição OFF é extremamente elevada significando uma corrente máxima de fuga de apenas 10 pA com uma tensão de alimentação de 10V.

* As chaves utilizadas são casadas, apresentando uma diferença máxima de 5 ? num mesmo circuito integrado.

* A corrente quiescente do circuito é muito baixa, da ordem de 1 uW com uma tensão de alimentação de 10V.

* Os circuitos integrados possuem decodificadores binários "on chip" o que dispensa o uso de circuitos externos para esta finalidade.

 

Na tabela a seguir temos as principais características elétricas:

 

Resistência ON (5V,10k)...............270 ? (tip)

Faixa de tensões de operação: 0 a 15V digital / -7,5 à +7,5V analógico

Faixa de tensões de sinal de entrada: 15 Vpp

Dissipação máxima......................700 mW

Frequência de resposta máxima..........40 MHz

 

CIRCUITOS EQUIVALENTES

Na figura 6 temos o diagrama de blocos equivalente ao 4041, observando-se que este possui uma entrada/saída e 8 saídas/entradas. Os terminais de programação são 4.

 

Diagrama de bloco do 4051.
Diagrama de bloco do 4051.

 

Quando todas as entradas de programação estão no nível baixo, nenhuma entrada é conectada à saída.

 

Na figura 7 temos o diagrama de blocos correspondente ao 4052.

 

Diagrama de blocos do 4052.
Diagrama de blocos do 4052.

 

Conforme podemos ver, as entradas de controle servem para determinar que saída (ou entrada) vai ser conectada a uma das quatro entradas (ou saídas) de cada MUX/DEMUX.

Veja então que estas chaves não são independentes, isto é, não podemos ligar a saída de um à entrada sua entrada 3 e ao mesmo a saída do outro à entrada 2.

Para o circuito integrado 4053 temos o diagrama de blocos mostrado na figura 8.

 

Diagrama de blocos do 4053.
Diagrama de blocos do 4053.

 

Observe que, neste caso também, temos o controle de programação ou seleção comum à todas às entradas/saídas que devem ter o mesmo endereçamento.

A tabela verdade que relaciona as entradas e saídas com a programação é dada a seguir.

 

Tabela verdade
Tabela verdade

 

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