SN74AC151 - Q1 汽車級(jí) 8 線到 1 線數(shù)據(jù)選擇器/多路復(fù)用器詳解

在汽車電子設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)的選擇與多路復(fù)用是常見且關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。TI 推出的 SN74AC151 - Q1 汽車級(jí) 8 線到 1 線數(shù)據(jù)選擇器/多路復(fù)用器，為這一領(lǐng)域提供了高性能的解決方案。今天，我們就來深入探討這款器件。

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一、器件特性

1. 汽車應(yīng)用資質(zhì)

SN74AC151 - Q1 通過了 AEC - Q100 認(rèn)證，適用于汽車應(yīng)用。其器件溫度等級(jí) 1 為 - 40°C 到 + 125°C，HBM ESD 分類等級(jí)為 2，CDM ESD 分類等級(jí)為 C4B，能在復(fù)雜的汽車環(huán)境中穩(wěn)定工作，抵抗靜電放電對(duì)器件的損害。

2. 封裝優(yōu)勢(shì)

該器件提供可焊?jìng)?cè)翼 QFN 封裝，這種封裝的可焊?jìng)?cè)翼能在焊接后改善側(cè)面浸潤(rùn)性，方便使用自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）進(jìn)行檢查，提高了生產(chǎn)的可靠性和檢測(cè)效率。

3. 寬工作范圍

工作電壓范圍為 1.5V 到 6V，輸入能承受高達(dá) 6V 的電壓。在 5V 時(shí)，可提供連續(xù) ±24mA 的輸出驅(qū)動(dòng)，短時(shí)間內(nèi)支持高達(dá) ±75mA 的輸出驅(qū)動(dòng)，還能驅(qū)動(dòng) 50Ω 傳輸線，具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。在 5V、50pF 負(fù)載下，最大傳播延遲 (t_{pd}) 僅為 8.6ns，能滿足高速數(shù)據(jù)處理的需求。

二、應(yīng)用場(chǎng)景

1. 數(shù)據(jù)選擇

在多個(gè)數(shù)據(jù)源的系統(tǒng)中，SN74AC151 - Q1 可以根據(jù)地址輸入選擇其中一個(gè)數(shù)據(jù)源輸出，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的靈活選擇。例如在汽車傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，可能有多個(gè)傳感器同時(shí)采集不同類型的數(shù)據(jù)，通過該器件可以根據(jù)需要選擇特定傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2. 多路復(fù)用

將多個(gè)輸入信號(hào)復(fù)用為一個(gè)輸出信號(hào)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。在汽?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/1301/" target="_blank">通信系統(tǒng)中，多個(gè)不同功能模塊的信號(hào)可以通過該器件進(jìn)行復(fù)用，然后通過一條線路傳輸，減少了線路數(shù)量，降低了成本和系統(tǒng)復(fù)雜度。

三、引腳配置與功能

SN74AC151 - Q1 有 16 引腳的 TSSOP（PW）和 16 引腳的 WQFN（BQB）兩種封裝。其引腳功能豐富，包括 8 個(gè)數(shù)據(jù)輸入引腳（D0 - D7）、2 個(gè)數(shù)據(jù)輸出引腳（Y 和 W，W 為 Y 的反相輸出）、3 個(gè)地址選擇引腳（A、B、C）、1 個(gè)輸出選通引腳（G，低電平有效）、電源引腳（VCC）和接地引腳（GND）。在 BQB 封裝中還有一個(gè)熱焊盤，可連接到 GND 或懸空，但不能連接到其他信號(hào)或電源。

四、規(guī)格參數(shù)

1. 絕對(duì)最大額定值

了解器件的絕對(duì)最大額定值對(duì)于避免器件損壞至關(guān)重要。例如，電源電壓范圍為 - 0.5V 到 7V，輸入和輸出電壓范圍為 - 0.5V 到 (V_{CC}+0.5V) ，超過這些范圍可能會(huì)導(dǎo)致器件永久性損壞。在設(shè)計(jì)時(shí)，必須確保器件工作在這些額定值范圍內(nèi)。

2. ESD 額定值

HBM 靜電放電等級(jí)為 2（±2000V），CDM 靜電放電等級(jí)為 C4B（±1000V）。在生產(chǎn)和使用過程中，要采取適當(dāng)?shù)撵o電防護(hù)措施，防止靜電對(duì)器件造成損害。

3. 推薦工作條件

推薦的電源電壓范圍為 1.5V 到 6V，不同電源電壓下對(duì)輸入電壓的高低電平要求也不同。例如，當(dāng) (V{CC}=1.5V) 時(shí)，高電平輸入電壓 (V{IH}) 最小為 1.2V，低電平輸入電壓 (V_{IL}) 最大為 0.3V。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，要根據(jù)推薦工作條件來選擇合適的電源和輸入信號(hào)。

4. 熱信息

不同封裝的熱性能指標(biāo)不同，如 PW（TSSOP）封裝的熱阻 (R{θJA}) 為 139.5°C/W，BQB（WQFN）封裝的熱阻 (R{θJA}) 為 98.6°C/W。在進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)封裝類型和實(shí)際工作環(huán)境來考慮散熱措施，確保器件工作在合適的溫度范圍內(nèi)。

5. 電氣特性和開關(guān)特性

數(shù)據(jù)表中詳細(xì)給出了不同測(cè)試條件下的電氣特性，如輸出高電平電壓 (V{OH}) 和輸出低電平電壓 (V{OL}) 等。開關(guān)特性方面，給出了不同電源電壓和負(fù)載下的傳播延遲時(shí)間 (t{PLH}) 和 (t{PHL}) 等參數(shù)。這些參數(shù)對(duì)于評(píng)估器件的性能和在電路中的應(yīng)用效果非常重要。

五、詳細(xì)描述

1. 功能概述

SN74AC151 - Q1 是一個(gè)高速硅柵 CMOS 多路復(fù)用器，包含一個(gè) 8:1 的多路復(fù)用器。它異步工作，輸出 Y 等于地址輸入（A、B、C）所選擇的輸入，輸出 W 始終是 Y 的反相。選通引腳（G）可以強(qiáng)制 Y 輸出為低電平，W 輸出為高電平，而不受其他輸入狀態(tài)的影響。

2. 特性描述

平衡的 CMOS 推挽輸出

這種輸出結(jié)構(gòu)可以吸收和提供相似的電流，但在輕負(fù)載時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生快速邊沿，需要考慮布線和負(fù)載條件，防止振鈴現(xiàn)象。同時(shí)，要注意限制輸出功率，避免因過流損壞器件。未使用的推挽 CMOS 輸出必須保持?jǐn)嚅_。

標(biāo)準(zhǔn) CMOS 輸入

具有高阻抗，可等效為一個(gè)與輸入電容并聯(lián)的電阻。輸入信號(hào)必須快速在有效邏輯狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，否則會(huì)導(dǎo)致功耗增加和可能的振蕩。未使用的輸入必須連接到 (V_{CC}) 或 GND，可以通過直接連接或使用上拉/下拉電阻來實(shí)現(xiàn)。

可焊?jìng)?cè)翼

方便焊接后的光學(xué)檢測(cè)，提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

鉗位二極管結(jié)構(gòu)

輸入和輸出都有正負(fù)鉗位二極管，可以在一定程度上保護(hù)器件，但要注意不能超過絕對(duì)最大額定值中的電壓限制，否則可能會(huì)損壞器件。

3. 功能模式

通過功能表可以清晰地了解器件在不同輸入狀態(tài)下的輸出情況。例如，當(dāng)選通引腳 G 為高電平時(shí)，輸出 Y 為低電平，W 為高電平；當(dāng) G 為低電平時(shí)，根據(jù)地址輸入（A、B、C）的不同組合，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入輸出到 Y 和 W。

六、應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

1. 設(shè)計(jì)要求

電源考慮

要確保電源電壓在推薦工作條件范圍內(nèi)，電源能提供足夠的電流，既要滿足輸出電流的需求，也要考慮靜態(tài)供電電流和開關(guān)瞬態(tài)電流。同時(shí)，要注意不超過絕對(duì)最大額定值中對(duì)電源和地的電流限制。器件能驅(qū)動(dòng)總電容不超過 50pF 的負(fù)載，負(fù)載電阻要滿足 (R{L} ≥V{O} / I_{O}) 的要求?？梢酝ㄟ^相關(guān)文檔中的方法來計(jì)算總功耗和熱增加。

輸入考慮

輸入信號(hào)必須跨過規(guī)定的 (V{IL(max)}) 和 (V{IH(min)}) 才能被識(shí)別為有效邏輯電平，且不能超過絕對(duì)最大額定值的輸入電壓范圍。未使用的輸入要進(jìn)行合理的端接，輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換要快速，以保證器件正常工作。

輸出考慮

輸出高電平由正電源電壓產(chǎn)生，輸出低電平由地電壓產(chǎn)生。拉電流會(huì)使輸出高電平降低，灌電流會(huì)使輸出低電平升高。推挽輸出不能直接連接在一起，以免產(chǎn)生過大電流損壞器件。同一器件中相同輸入信號(hào)的兩個(gè)通道可以并聯(lián)以增加輸出驅(qū)動(dòng)能力。未使用的輸出可以懸空，但不能直接連接到 (V_{CC}) 或地。

2. 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

電容添加

在 (V_{CC}) 和 GND 之間添加去耦電容，電容要靠近器件放置，確保電氣連接緊密。

負(fù)載控制

輸出電容負(fù)載要 ≤50pF，通過合理設(shè)計(jì)布線來控制。輸出電阻負(fù)載要大于 ((V{CC} / I{O(max)})Omega) ，以防止超過絕對(duì)最大額定值的輸出電流。

熱管理

雖然邏輯門的熱問題通常較少，但可以通過相關(guān)文檔中的步驟計(jì)算功耗和熱增加。

3. 電源供應(yīng)建議

電源電壓應(yīng)在推薦工作條件的最小和最大額定值之間。每個(gè) (V_{CC}) 端子都應(yīng)有一個(gè)旁路電容，推薦使用 0.1μF 的電容，也可以并聯(lián)多個(gè)不同容值的電容來抑制不同頻率的噪聲，且電容要盡量靠近電源端子安裝。

4. 布局設(shè)計(jì)

旁路電容布局

要靠近器件的正電源端子放置，提供短的接地回流路徑，使用寬走線以減小阻抗，盡量將器件、電容和走線布置在電路板的同一側(cè)。

信號(hào)走線幾何形狀

走線寬度為 8mil 到 12mil，長(zhǎng)度小于 12cm，避免 90° 拐角，在信號(hào)走線下方使用完整的接地平面，對(duì)信號(hào)走線周圍進(jìn)行接地填充，并行走線之間要間隔至少 3 倍的介質(zhì)厚度。對(duì)于長(zhǎng)度超過 12cm 的走線，要使用阻抗控制走線并在輸出端附近使用串聯(lián)阻尼電阻進(jìn)行源端端接，避免分支走線，若有分支則要單獨(dú)進(jìn)行緩沖。

七、器件與文檔支持

1. 文檔支持

TI 提供了多篇相關(guān)應(yīng)用報(bào)告，如《CMOS Power Consumption and (C_{pd}) Calculation》《Designing With Logic》《Thermal Characteristics of Standard Linear and Logic (SLL) Packages and Devices》等，幫助工程師更好地了解和使用該器件。

2. 文檔更新通知

可以在 ti.com 上的器件產(chǎn)品文件夾中注冊(cè)通知，每周接收產(chǎn)品信息的更新摘要，并查看修訂歷史以了解具體更改內(nèi)容。

3. 支持資源

TI E2E? 支持論壇是工程師獲取快速、準(zhǔn)確答案和設(shè)計(jì)幫助的重要途徑，可以在論壇上搜索已有答案或提出自己的問題。

4. 靜電放電注意事項(xiàng)

該集成電路容易受到 ESD 損壞，在操作時(shí)要采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，因?yàn)?ESD 損害可能會(huì)導(dǎo)致器件性能下降甚至完全失效。

八、機(jī)械、封裝與訂購(gòu)信息

SN74AC151 - Q1 有 TSSOP（PW）和 WQFN（BQB）兩種封裝可供選擇，各封裝的詳細(xì)尺寸、包裝數(shù)量、載體類型、RoHS 合規(guī)性、引腳鍍層/球材料、MSL 等級(jí)/峰值回流溫度等信息都在數(shù)據(jù)表中有詳細(xì)說明。同時(shí)，還提供了封裝的機(jī)械圖紙、示例電路板布局和示例鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)等信息，方便工程師進(jìn)行 PCB 設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

總之，SN74AC151 - Q1 是一款性能出色的汽車級(jí)數(shù)據(jù)選擇器/多路復(fù)用器，但在使用過程中，工程師需要仔細(xì)考慮其各項(xiàng)特性和參數(shù)，按照設(shè)計(jì)要求和步驟進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和布局，以確保器件能穩(wěn)定、可靠地工作。大家在實(shí)際應(yīng)用中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)交流分享。