Conheça o 4016 - Chave Analógica Bilateral (ART2323)

coEste integrado da família CMOS apresenta características extremamente interessantes para projetos que combinam comandos digitais com sinais analógicos: trata-se de uma chave bilateral que é comandada por sinais digitais. Possuindo 4 chaves num único invólucro, este integrado possibilita a elaboração de mixers, controles de sinais seletivos, sistemas de leitura de informações analógicas comandados por microcomputador e muitos outros.

Obs. Este artigo é de 1988. Posterior a este circuito é o 4066 que tem características semelhantes e mesma pinagem, mas uma resistência de condução menor.

Disponível em invólucro DIL de 14 pinos, o 4016 pode operar com tensões entre 3 e 15 volts no modo digital, e com alimentação simétrica de 5 volts no modo analógico.

Na figura 1 temos seu invólucro com a identificação dos terminais.

 

  Figura 1 – O 4016
Figura 1 – O 4016

 

 

Nesta mesma figura temos um diagrama de blocos funcional, que nos mostra que cada uma das chaves analógicas pode ser usada separadamente.

Para analisar seu funcionamento partimos do circuito interno equivaIente de uma das chaves. (figura 2)

 

Figura 2- Circuito equivalente a cada chave
Figura 2- Circuito equivalente a cada chave

 

 

Conforme podemos ver, cada chave consiste numa espécie de interruptor ou relé de estado sólido que pode ser acionado por um sinal aplicado na entrada de controle.

Como temos na saída um transistor de efeito de campo MOS duplo (canal P e canal N), não importa o sentido da corrente neste elemento. Isso significa que os terminais de entrada e saída podem ser trocados sem afetar o funcionamento do conjunto, ou ainda, que a corrente controlada pode fluir em ambos os sentidos.

Daí a denominação de “bilateral" para as chaves.

Quando aplicamos na entrada de controle uma tensão igual à do pino 7 (0 V ou LO na operação digital ou -5 V na operação analógica) a chave permanece DESLIGADA, apresentando uma impedância muito alta entre os terminais de entrada e saída. (figura 3)

 

Figura 3 - Funcionamento
Figura 3 - Funcionamento

 

 

Quando a tensão aplicada à entrada for igual à do pino 14, ou seja, de 3 a 15 V no modo digital e +5 V no modo analógico, a chave LIGA e passa a apresentar uma baixa impedância.

Esta baixa impedância é equivalente a um resistor de 300 ohms.

A impedância de entrada, que corresponde ao sinal de controle, é muito alta, alcançando alguns megohms.

Como se trata de um comutador de estado sólido, sua velocidade é muito alta. De fato, podemos aplicar na entrada sinais alternados de controle, desde que sua amplitude não ultrapasse a tensão de alimentação, numa frequência de até 40 MHz.

Na prática, existem recomendações quanto a frequência máxima de operação, que depende da tensão de alimentação.

Assim, para alimentação de 10 V a frequência recomendada como máxima é de 10 MHz, e para 5 V esta frequência cai para 5 MHz.

A intensidade máxima da corrente que pode ser controlada depende da capacidade de dissipação do integrado, estando limitada a 100 mW.

Assim, basta calcular a corrente que isso representa num resistor de 300 ohms para se obter os limites de atuação desta chave.

Conforme podemos observar, trata-se de um controle de pequenos sinais, podendo operar no interfaceamento de equipamentos digitais, com pequenos sinais de áudio, mas não com sinais de alta potência como por exemplo a saída de um amplificador.

Devemos observar que em relação aos sinais de áudio, existe uma grande linearidade de resposta já que o transistor de efeito de campo usado no controle comporta-se praticamente como uma resistência pura.

Esta característica é muito importante quando se pensa na utilização do integrado no controle de sinais de áudio, em mixers, por exemplo.

Uma versão mais avançada deste integrado é o 4066 que funciona do mesmo modo, mas se comporta como um resistor de apenas 90 ohms na condição LIGADO.

Nas aplicações práticas é recomendável o uso de resistores de 10 k a 100 k entre as entradas e saídas das chaves e o terra do circuito (ou -Vss no modo analógico).

 

APLICAÇÕES

1) Mixer Digítal

Na figura 4 temos um primeiro circuito de “mixer" digital em que os sinais de dois canais são misturados numa frequência acima da faixa audível, dada pelo clock.

 

   Figura 4 – Mixer digital
Figura 4 – Mixer digital

 

 

Assim, as chaves são ligadas alternadamente deixando passar os sinais ora de um canal ora de outro, que são misturados numa única saída.

Um filtro passa-baixa com corte acima do audível, impede a influência do sinal de clock no circuito de saída.

 

2) Conversor D/A Tipo R-2R

Podemos elaborar em torno do 4016 dois tipos de conversores Digitais-Analógicos: por saturação de tensão e por saturação de corrente.

Na figura 5 temos um circuito do tipo saturação de tensão que emprega 2 integrados 4016 e uma rede de resistores tipo R-2R.

 

Figura 5 – Conversor D/A
Figura 5 – Conversor D/A

 

 

O circuito proporciona 2n passos de tensão iguais, onde n é o número de ramos usados.

A tensão VR é o sinal DC de referência para todas as chaves, que conectam ou desconectam seu respectivo ramo da rede R-2R à tensão de referência ou ao terra do circuito.

Temos então uma tensão de saída proporcional à tensão de referência aplicada na entrada, que justamente determina a faixa de operação do conversor.

No caso, como o sistema é de 4 bits, o bit menos significativo (LSB) contribui para a saída com uma tensão de VR/24 ou seja, VR/16 sendo este o passo de tensão do conversor.

Um 4004 é usado para fornecer uma saída em “escada" a partir do conversor, pois trata-se de um contador binário.

Na figura 6 temos a forma de onda obtida para este circuito com uma carga de 10 M ohms e uma tensão de entrada de 10V.

 

Figura 6 – Forma de onda gerada
Figura 6 – Forma de onda gerada

 

 

Uma tensão analógica de referência pode ser usada como entrada. Dados de laboratório (RCA) indicam uma precisão melhor que 1%o para este circuito. A precisão final do circuito dependerá de diversos fatores como a resistência LIGADO do 4016 e a tolerância dos componentes discretos associados.

Na figura 7 temos a segunda possibilidade que é um conversor por corrente saturada.

 

   Figura 7 – Conversor de corrente saturada
Figura 7 – Conversor de corrente saturada

 

 

A performance deste circuito é similar à do anterior, exceto pela maior precisão. Esta maior precisão se deve ao fato de que a tensão de referência é obtida a partir de uma fonte de corrente constante, o que significa uma manutenção de seu valor numa ampla faixa de valores de resistência de carga.

Com isso, a precisão do circuito fica dependente apenas da precisão dos resistores do divisor. Neste circuito, a fonte de corrente constante alimenta o sistema de resistores R-2R através do 4016.

A corrente em cada ramo é dividida da mesma maneira que a tensão no circuito anterior.

Vsaída = Itotal X RL

Vsaída (máx.) =Ic x RL x(1-1/2n)

Onde: lc é o valor da corrente da fonte de corrente constante, o que para o circuito dado como exemplo está em 500 uA. Neste circuito, n=4,RL=2k e,

V saída (máx.) = (500 uA)(2k ohm)(1-(1/24))= 0,938V

Para este circuito temos também uma precisão melhor que1%.

 

3) Circuito de amostragem e retenção (Sample and Hold).

Na figura 8 temos um circuito deste tipo que leva uma rede R-C e um conjunto de chaves do 4016.

 

Figura 8 – Circuito de amostragem e retenção
Figura 8 – Circuito de amostragem e retenção

 

 

O capacitor carrega-se com o valor de pico do sinal de entrada quando a chave é fechada. Quando a chave é aberta, o capacitor já carregado fornece sua tensão como referência ao circuito de retenção.

Como a resistência em aberto da chave do 4016 é da ordem de 1012 ohms, com uma tensão de 10 V no circuito, isso representa uma corrente de apenas 10 pA o que é suficiente para garantir um excelente desempenho ao circuito.

Na figura 9 temos o circuito completo.

 

Figura 9 – Circuito completo de amostragem e retenção
Figura 9 – Circuito completo de amostragem e retenção

 

 

Os amplificadores operacionais são usados como buffers e para garantir também a estabilidade de operação.

Quando o clock estiver no nível lógico “1", o 4016 estará LIGADO e a entrada estará colhendo a “amostra" do sinal a ser trabalhado.

Quando o clock for para o nível o 4016 estará DESLIGADO e o capacitor manterá o valor de tensão a ser trabalhado pelo restante do circuito.

A constante de tempo da amostragem tem um valor efetivo dado pela expressão:

 

T = (10 x R x C)/(1+A)

 

Onde A é o ganho de tensão sem realimentação do primeiro CA3030A (tipicamente de 60 dB).

O segundo operacional CA3030A opera com ganho unitário de modo a isolar o circuito da saída.

Quaisquer variações de tensão não afetam a saída.

Na figura 10 temos um oscilograma representando o comportamento deste circuito para R = 500K ohms e C = 530pF.

 

Figura 10 – Oscilograma para o circuito
Figura 10 – Oscilograma para o circuito

 

 

Circuitos deste tipo, de amostragem e retenção, sem feedback, podem ser usados para implementar linhas de retardo analógicas.

Na figura11 temos um diagrama de blocos de uma destas linhas digitais, com n etapas semelhantes à da figura 8.

 

   Figura 11 – Linha de retardo digital
Figura 11 – Linha de retardo digital

 

A carga é transferida de um capacitor a outro em cada pulso do clock. O clock deve ser conectado a um circuito que faça com que as chaves abram e fechem alternadamente num processo sincronizado de transferência de cargas.

O tempo total de retardo será dado pela fórmula:

 

Tr = M/fa

 

Onde: M é o número de etapas e fa é a frequência de amostragem. Esta frequência fa não pode ser menor que duas vezes a frequência máxima do sinal de entrada.

 

4. Circuito Silenciador (Squelch)

Usando o 4016 como base podemos fazer um interessante detector de nível de sinais que opera como Squelch (silenciador). (figura 12)

 

Figura 12 - Silenciador
Figura 12 - Silenciador

 

 

Quando o sinal de entrada alcança um determinado nível de tensão (ajustado no trimpot de 1M), o 4016 dispara (LIGA) e o sinal passa totalmente da entrada para a saída.

O circuito de controle formado pelos CA3030A e CD4007, funciona da seguinte maneira: o sinal de entrada passa por um detector de pico formado por um diodo e um capacitor, cuja saída tem a forma da envolvente.

Esta saída é amplificada pelo CA3030A (cujo ganho pode ser modificado em R1) e aplicada ao 4007, que neste circuito é usado como porta NAND e tem uma característica muito aguda de comutação em função da tensão nesta configuração.

Quando a entrada da porta NAND é igual ou maior que a tensão de comutação, o 4007 LIGA e um “O" lógico aparece na entrada de controle do 4016 desligando a chave.

Quando a tensão de entrada do 4007 é menor que a tensão de comutação, temos na saída o “1" lógico e a chave do 4016 é ligada, permitindo a passagem dos sinais para a saída final do circuito.

A resistência variável, que está no painel de controle do aparelho, permite ajustar o limiar do silenciamento.

Este tipo de circuito pode ser usado em sistemas de comunicação, nos quais o sinal a ser transmitido precisa ter um limite máximo de intensidade muito bem definido.

 

 


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