SN74ACT151-Q1：汽車級8線至1線數(shù)據(jù)選擇器/多路復(fù)用器的詳細(xì)剖析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)選擇和多路復(fù)用是常見的操作需求，而合適的器件能極大提升設(shè)計(jì)的效率和性能。今天我們就來深入探討德州儀器（Texas Instruments）推出的SN74ACT151-Q1汽車級8線至1線數(shù)據(jù)選擇器/多路復(fù)用器。

文件下載：sn74act151-q1.pdf

一、器件概述

SN74ACT151-Q1專為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)，經(jīng)過AEC - Q100認(rèn)證，具有出色的可靠性和穩(wěn)定性。它工作在-40°C至+125°C的寬溫度范圍內(nèi)，能適應(yīng)各種惡劣的汽車工作環(huán)境。該器件采用可焊側(cè)翼QFN封裝，方便進(jìn)行焊接和檢測。其工作電壓范圍為4.5V至5.5V，輸入與TTL兼容，輸出驅(qū)動能力強(qiáng)，連續(xù)輸出驅(qū)動電流可達(dá)±24mA，短時(shí)間內(nèi)甚至能支持±75mA的輸出驅(qū)動，還能驅(qū)動50Ω的傳輸線，且操作速度快，最大延遲僅16.9ns。

二、器件特性

1. 電氣特性

• 絕對最大額定值：涵蓋了電源電壓、輸入輸出電壓、輸入輸出鉗位電流、連續(xù)輸出電流、通過VCC或GND的連續(xù)電流、結(jié)溫以及存儲溫度等參數(shù)的極限值。例如，電源電壓范圍為 - 0.5V至7V，結(jié)溫最大為150°C。在設(shè)計(jì)時(shí)，必須嚴(yán)格遵守這些絕對最大額定值，否則可能導(dǎo)致器件永久性損壞。
• ESD評級：人體模型（HBM）靜電放電分類為2級，即±2000V；帶電設(shè)備模型（CDM）靜電放電分類為C4B級，即±1000V。這表明該器件具有一定的抗靜電能力，但在操作過程中仍需采取適當(dāng)?shù)姆漓o電措施。
• 推薦工作條件：電源電壓推薦在4.5V至5.5V之間，高電平輸入電壓不低于2V，低電平輸入電壓不高于0.8V等。遵循這些推薦條件能確保器件正常、穩(wěn)定地工作。
• 熱信息：不同封裝的熱阻參數(shù)不同，如PW（TSSOP）封裝和BQB（WQFN）封裝的RθJA、RθJC等熱阻參數(shù)各有差異。了解這些熱信息有助于進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，避免器件因過熱而性能下降或損壞。
• 電氣特性參數(shù)：包括輸出電壓、輸入電流、電源電流等在不同條件下的取值范圍。例如，在特定條件下，高電平輸出電流為 - 24mA，低電平輸出電流為24mA。這些參數(shù)是評估器件性能和進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。
• 開關(guān)特性：在負(fù)載電容(C_{L}=50 pF)、工作溫度范圍 - 40°C至125°C的條件下，給出了不同輸入到輸出的傳播延遲時(shí)間等參數(shù)。如從D輸入到Y(jié)輸出的傳播延遲時(shí)間，最小為3.9ns，典型值為4.6ns，最大為15.5ns。這些開關(guān)特性對于高速電路設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

2. 功能特性

• 平衡CMOS推挽輸出：該器件的輸出為平衡CMOS推挽輸出，意味著它能吸收和提供相似的電流。不過，其驅(qū)動能力在輕負(fù)載時(shí)可能產(chǎn)生快速邊沿，因此在布線和負(fù)載條件設(shè)計(jì)時(shí)需考慮防止振鈴現(xiàn)象。同時(shí)，要注意限制輸出功率，避免因過流損壞器件，且未使用的推挽CMOS輸出應(yīng)保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。
• TTL兼容CMOS輸入：輸入與TTL邏輯器件兼容，具有降低的輸入電壓閾值。這些輸入為高阻抗，通常可建模為與輸入電容并聯(lián)的電阻。輸入信號需在有效邏輯狀態(tài)之間快速轉(zhuǎn)換，否則會導(dǎo)致功耗過大甚至產(chǎn)生振蕩。未使用的輸入必須連接到(V_{CC})或地，可根據(jù)情況選擇直接連接或通過上拉/下拉電阻連接。
• 可焊側(cè)翼：部分封裝具有可焊側(cè)翼，有助于提高焊接后的側(cè)面潤濕性，方便使用自動光學(xué)檢測（AOI）進(jìn)行檢查?？珊競?cè)翼可以是凹陷或階梯切割的，以增加焊料附著力，可靠地形成側(cè)面焊腳。
• 鉗位二極管結(jié)構(gòu)：輸入和輸出都有正負(fù)鉗位二極管，但要注意避免電壓超過絕對最大額定值表中的規(guī)定值，不過在遵守輸入和輸出鉗位電流額定值的情況下，輸入和輸出電壓額定值可以適當(dāng)超出。

3. 功能模式

通過功能表可以清晰了解SN74ACT151-Q1的工作模式。當(dāng)使能端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D0 - D7輸出到Y(jié)，W為Y的反相輸出。

三、引腳配置與功能

SN74ACT151-Q1有兩種封裝，分別是16引腳的TSSOP（PW）封裝和16引腳的WQFN（BQB）封裝。各引腳具有明確的功能，如D0 - D7為數(shù)據(jù)輸入，Y和W為數(shù)據(jù)輸出（W為Y的反相輸出），G為輸出使能端（低電平有效），A、B、C為地址選擇輸入，VCC為正電源，GND為地。此外，BQB封裝還有一個(gè)熱焊盤，可連接到地或懸空，但不能連接到其他信號或電源。

四、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1. 典型應(yīng)用

該器件可用于數(shù)據(jù)選擇和多路復(fù)用場景。在典型應(yīng)用中，結(jié)合3:8解碼器和控制器系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對多個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)的選擇和傳輸。

2. 設(shè)計(jì)要求

• 電源考慮：電源電壓需在推薦的4.5V至5.5V范圍內(nèi)，正電源要能提供足夠的電流，包括所有輸出所需的總電流、最大靜態(tài)電源電流(ICC)以及開關(guān)所需的瞬態(tài)電流。地也要能吸收相應(yīng)的電流。負(fù)載電容建議不超過50pF，負(fù)載電阻應(yīng)滿足(R{L} ≥V{O} / I_{O})。在設(shè)計(jì)時(shí)，要注意避免超過絕對最大額定值中的電流和溫度限制。
• 輸入考慮：輸入信號需跨越指定的高低電平閾值才能被識別為有效邏輯電平，且不能超過絕對最大額定值中的輸入電壓范圍。未使用的輸入應(yīng)妥善處理，可通過上拉或下拉電阻連接到合適的電平。同時(shí)，輸入信號的轉(zhuǎn)換速度要滿足推薦操作條件的要求，否則會影響器件性能。
• 輸出考慮：正電源電壓用于產(chǎn)生輸出高電平，地電壓用于產(chǎn)生輸出低電平。輸出電流會影響輸出電壓，因此在設(shè)計(jì)負(fù)載時(shí)要考慮這一點(diǎn)。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，但同一器件內(nèi)相同輸入信號的兩個(gè)通道可并聯(lián)以增強(qiáng)輸出驅(qū)動能力。未使用的輸出可懸空，但不能直接連接到(V_{CC})或地。

3. 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟

• 添加去耦電容：在(V{CC})和GND之間添加去耦電容，且電容要靠近器件放置，確保與(V{CC})和GND引腳的電氣連接距離短。
• 控制負(fù)載電容：確保輸出端的負(fù)載電容不超過50pF，可通過合理設(shè)計(jì)布線來實(shí)現(xiàn)。
• 選擇合適的負(fù)載電阻：輸出端的負(fù)載電阻要大于((V{CC} / I{O(max )}) Omega)，以防止超過絕對最大額定值中的輸出電流限制。
• 考慮散熱問題：雖然邏輯門的散熱問題通常不嚴(yán)重，但可根據(jù)相關(guān)應(yīng)用報(bào)告中的步驟計(jì)算功耗和熱增加情況。

4. 電源供應(yīng)建議

電源電壓應(yīng)在推薦的范圍內(nèi)，每個(gè)(V_{CC})端子都應(yīng)配備旁路電容以防止電源干擾。建議使用0.1μF的電容，也可并聯(lián)多個(gè)不同容量的電容以抑制不同頻率的噪聲，且旁路電容應(yīng)盡量靠近電源端子安裝。

5. 布局設(shè)計(jì)

• 布局指南：旁路電容應(yīng)靠近器件的正電源端子放置，提供短的接地返回路徑，使用寬走線以降低阻抗，盡量將器件、電容和走線布置在電路板的同一側(cè)。信號走線寬度建議為8mil至12mil，長度小于12cm以減少傳輸線效應(yīng)，避免90°拐角，在信號走線下方使用完整的接地平面，在信號走線周圍填充接地，并行走線間距至少為3倍介質(zhì)厚度。對于長度超過12cm的走線，可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，對需要分支的信號分別進(jìn)行緩沖。
• 布局示例：文檔中給出了不同布局方式對信號完整性的影響示例，以及旁路電容在不同封裝器件上的放置示例，為實(shí)際布局設(shè)計(jì)提供了參考。

五、總結(jié)

SN74ACT151-Q1是一款性能出色的汽車級數(shù)據(jù)選擇器/多路復(fù)用器，具有豐富的特性和良好的電氣性能。在使用該器件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，我們需要綜合考慮其各種特性和要求，從電源、輸入輸出、布局等多個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，確保設(shè)計(jì)的電路穩(wěn)定、可靠地工作。大家在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過類似器件的使用問題呢？歡迎交流分享。