CD4049 CMOS Hex Inverter: характеристики, распиновка, схемы и практическое применение

CD4049UB / CD4049B — легендарная CMOS микросхема с шестью инверторами (Hex Inverting Buffer) в 16-пиновом корпусе. Она незаменима для преобразования логических уровней (level shifting), построения генераторов, драйверов нагрузки, схем задержки, усилителей и даже аналоговых усилителей. В этом руководстве — полный разбор характеристик, распиновки, типовых схем и пошаговая сборка схемы Touch ON/OFF.

1. Основные характеристики CD4049

• Напряжение питания (Vdd): 3–15 В (рекомендуемое), абсолютный максимум 18 В.
• Выходной ток: высокий ток стока (sink) и истока (source). При Vdd=5 В способен управлять 2 нагрузками TTL (2×1.6 мА) на весь температурный диапазон. При Vdd=10–15 В — до 10–20 мА на выход.
• Защита входов: уникальная структура позволяет подавать на вход напряжение **выше Vdd** (до 18 В) без повреждения (в отличие от большинства CMOS). Это идеально для level shifting 5В → 3.3В или 12В → 5В.
• Преобразование уровней: High-to-Low (вход > Vdd → выход логический HIGH/LOW в пределах Vdd).
• Входной ток утечки: < 1 мкА при 18 В (всех температур), < 100 нА при 25°C.
• Ток покоя (Quiescent): протестирован при 20 В.
• Корпуса: DIP-16, SOIC-16, TSSOP-16, SO-16.
• Параметрические классы: 5 В, 10 В, 15 В (скорость/ток зависят от Vdd).
• Версии: CD4049UB (Unbuffered — без выходных буферов, для аналоговых/генераторных применений, выше коэф. усиления, ниже задержка) и CD4049B (Buffered — стандартный, для цифровых схем).

2. Распиновка и функция выводов (DIP-16 / SOIC-16)

Пин	Имя	Функция
1	VDD	Питание (+3…+15 В)
2	G / OUT1	Выход инвертора 1
3	A / IN1	Вход инвертора 1
4	H / OUT2	Выход инвертора 2
5	B / IN2	Вход инвертора 2
6	I / OUT3	Выход инвертора 3
7	C / IN3	Вход инвертора 3
8	VSS / GND	Земля (0 В)
9	J / OUT4	Выход инвертора 4
10	D / IN4	Вход инвертора 4
11	K / OUT5	Выход инвертора 5
12	E / IN5	Вход инвертора 5
13	NC	Не подключен (No Connection)
14	F / IN6	Вход инвертора 6
15	L / OUT6	Выход инвертора 6
16	NC	Не подключен

Инверторы независимы. Входы: 3, 5, 7, 10, 12, 14. Выходы: 2, 4, 6, 9, 11, 15. Питание: 1 (VDD), 8 (VSS). Пины 13, 16 — NC.

3. Основные области применения

• Преобразователь уровней (Level Shifter): 12В/5В → 3.3В/5В (вход выдерживает до 18В при любом Vdd).
• Генераторы прямоугольных импульсов (RC-генераторы на 1–2 инверторах).
• Драйверы MOSFET/IGBT/транзисторов/реле/LED (высокий ток выхода).
• RS-триггеры, задержки, дебаунсеры кнопок (схема с 2 инверторами).
• Аналоговые усилители / линейные усилители (только версия **UB** — Unbuffered, например, CD4049UBE).
• Напряжение умножители (Charge Pump) — инверторы как переключатели конденсаторов.
• Импульсные схемы, тактовые генераторы, делители частоты.

4. Простые схемы на CD4049

Формула частоты RC-генератора (на 1 инверторе с обратной связью R, C):

f ≈ 1 / (1.39 × R × C)   (для буферизованной версии CD4049B)
f ≈ 1 / (2.2 × R × C)    (для небуферизованной CD4049UB — более точно для аналоговых)

Питание 3–12 В DC. R в Омах, C в Фарадах, f в Гц.

А) Антидребезговый ключ (Bounceless Switch / RS Flip-Flop)

Два инвертора соединены в RS-триггер (выход 1-го на вход 2-го, выход 2-го на вход 1-го через резистор/конденсатор). Механический переключатель замыкает вход на GND или VDD. Первый импульс переключает триггер, последующие дребезги игнорируются. Выход — чистый импульс.

Б) Генератор прямоугольных импульсов (Square Wave Oscillator)

Один инвертор + R (между выходом и входом) + C (вход на землю). Выход — меандр ~50% скважности. Частота по формуле выше. Низкое потребление, стабильная частота при изменении Vdd (благодаря симметричной структуре CMOS).

В) Сенсорное переключение Touch ON/OFF (Flip-Flop на 2 инверторах)

Задача: прикосновение к пластине включает LED, повторное — выключает. Работает как емкостной датчик.

Необходимые компоненты:

• CD4049 (UB или B) — 1 шт.
• Резисторы: 470 Ом (LED), 1 МОм, 4.7 МОм (или 10 МОм по схеме).
• Конденсаторы: 100 нФ (керамика), 1 мкФ (электролит).
• Светодиод (любой цвет).
• Макетная плата, перемычки.
• Источник питания 5 В DC (или 3–12 В).

Таблица истинности инвертора (NOT):

ВХОД	ВЫХОД
Low (0)	High (1)
High (1)	Low (0)

Схема подключения (по текстовому описанию исходника):

1. Питание: Пин 1 (VDD) → +5В (или +12В). Пин 8 (VSS) → GND.
2. Инвертор 1 (Вход пин 3, Выход пин 2): Резистор 10 МОм между пином 3 и пином 2 (обратная связь).
3. Сенсорная пластина: подключена к пину 3 через резистор 10 МОм. Параллельно — конденсатор 100 нФ на GND.
4. Конденсатор 1 мкФ: один вывод на пин 3, второй — на другую пластину/землю (по схеме).
5. Резистор 1 МОм между пином 2 и пином 3 (дополнительная обратная связь/смещение).
6. Выход инвертора 1 (пин 2) → Вход инвертора 2 (пин 5).
7. Выход инвертора 2 (пин 4) → Анод LED через резистор 470 Ом. Катод LED → GND.

Принцип работы:

Прикосновение к пластине вносит емкость/утечку тока, меняет потенциал на входе инвертора 1. RS-триггер из двух инверторов переключается в противоположное состояние. LED меняет состояние. Высокая входная импедансность CMOS делает схему чувствительной к емкости тела человека.

Заключение

CD4049 — «швейцарский нож» цифровой логики 4000-й серии. Шесть инверторов с уникальной толерантностью входов к высокому напряжению делают его идеальным для level shifting, драйверов, генераторов, задержек и даже аналоговых трюков (на UB версии). Touch ON/OFF схема демонстрирует простоту построения емкостных сенсоров без специализированных ИС.

При проектировании: всегда шунтируйте питание (100 нФ + 10 мкФ у корпуса), не оставляйте неиспользуемые входы висеть в воздухе (подтягивайте к VDD или VSS), учитывайте разницу UB/B версий для генераторов. Документация: TI CD4049UB/CD4049B Datasheet (SCLS034).

Сложности со схемой или выбором версии? Пишите — поможем!