汽車級8選1多路復(fù)用器SN74HCS251-Q1的深度解析

在電子設(shè)計領(lǐng)域，多路復(fù)用器是一種常見且關(guān)鍵的器件，它能在多個數(shù)據(jù)源中進行選擇，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)選擇和復(fù)用等場景。今天我們要深入探討的就是德州儀器（TI）推出的汽車級8選1多路復(fù)用器SN74HCS251-Q1，它具有諸多特性，能滿足汽車等領(lǐng)域的嚴格要求。

文件下載：sn74hcs251-q1.pdf

1. 器件概述

SN74HCS251-Q1是一款數(shù)據(jù)選擇器/多路復(fù)用器，具備全二進制解碼功能，可從8個數(shù)據(jù)源中選擇1個，并具有選通控制的互補三態(tài)輸出。這使得它能夠很好地與總線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)線路進行接口和驅(qū)動。

1.1 特性亮點

• 汽車級認證：符合AEC - Q100標準，器件溫度等級為1，工作溫度范圍從 - 40°C到 + 125°C，HBM ESD分類等級為2級，CDM ESD分類等級為C6，能適應(yīng)汽車復(fù)雜的工作環(huán)境。
• 寬工作電壓范圍：可在2V至6V的電壓下工作，為設(shè)計提供了更大的靈活性。
• 施密特觸發(fā)輸入：允許緩慢或有噪聲的輸入信號，對噪聲有較好的抑制能力，同時典型ICC僅為100nA，典型輸入泄漏電流為 ± 100nA，功耗較低。
• 輸出驅(qū)動能力：在6V電壓下，具有 ± 7.8mA的輸出驅(qū)動能力。

1.2 應(yīng)用場景

該器件主要用于數(shù)據(jù)選擇和復(fù)用，在需要對多個數(shù)據(jù)源進行選擇的系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。

2. 規(guī)格參數(shù)

2.1 絕對最大額定值

這是器件能夠承受的極限參數(shù)，超過這些值可能會對器件造成永久性損壞。例如，VCC電源電壓范圍為 - 0.5V至7V，輸入鉗位電流在VI < - 0.5V或VI > VCC + 0.5V時為 ± 20mA等。在設(shè)計時，必須嚴格遵守這些參數(shù)，避免器件受損。

2.2 ESD額定值

• 人體模型（HBM）：符合AEC Q100 - 002標準，HBM ESD分類等級為2級，靜電放電電壓為 ± 4000V。
• 帶電設(shè)備模型（CDM）：符合AEC Q100 - 011標準，CDM ESD分類等級為C6，靜電放電電壓為 ± 1500V。這表明該器件在靜電防護方面有較好的表現(xiàn)。

2.3 推薦工作條件

• 電源電壓：推薦范圍為2V至6V，典型值為5V。
• 輸入電壓：范圍是0至VCC。
• 輸出電壓：同樣為0至VCC。
• 環(huán)境溫度： - 40°C至125°C。在這個范圍內(nèi)，器件能穩(wěn)定工作，發(fā)揮最佳性能。

2.4 熱信息

不同封裝形式的熱阻等參數(shù)有所不同。例如，TSSOP封裝的16引腳器件，結(jié)到環(huán)境的熱阻RθJA為141.2°C/W，SOIC封裝的為122.2°C/W。了解這些熱信息對于散熱設(shè)計至關(guān)重要，以確保器件在工作時溫度不會過高。

2.5 電氣特性

涵蓋了正、負開關(guān)閾值、高低電平輸出電壓、輸入泄漏電流等參數(shù)。例如，在不同的VCC電壓下，正開關(guān)閾值VT +和負開關(guān)閾值VT -有不同的值，這些參數(shù)決定了器件的邏輯電平判斷標準。

2.6 開關(guān)特性

包括最大開關(guān)頻率fmax、傳播延遲tpd、使能時間ten、禁用時間tdis和過渡時間tt等。這些參數(shù)反映了器件的開關(guān)速度和信號傳輸延遲，對于高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計非常關(guān)鍵。例如，在6V電壓下，最大開關(guān)頻率fmax可達36MHz，傳播延遲tpd最小為6ns。

2.7 工作特性

以功率耗散電容Cpd為例，在無負載情況下，2V至6V的電壓范圍內(nèi)，典型值為40pF。這有助于我們計算器件的功耗。

2.8 典型特性

通過一系列圖表展示了輸出驅(qū)動電阻、電源電流等參數(shù)隨不同條件的變化情況。例如，輸出驅(qū)動電阻在不同的輸出電流和電源電壓下有不同的表現(xiàn)，這對于負載匹配和信號完整性設(shè)計有重要參考價值。

3. 詳細描述

3.1 功能框圖

從邏輯圖中可以清晰地看到輸入選擇信號CBA如何控制8個數(shù)據(jù)源D0 - D7的選擇，以及輸出Y和W的產(chǎn)生邏輯。

3.2 特性描述

• 平衡CMOS三態(tài)輸出：輸出有驅(qū)動高、驅(qū)動低和高阻抗三種狀態(tài)，且能吸收和源出相似的電流。但在設(shè)計時要考慮布線和負載條件，防止出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象，同時要注意限制輸出功率，避免過流損壞器件。當處于高阻抗模式時，輸出除了有微小的泄漏電流外，既不源出也不吸收電流，可通過連接上拉或下拉電阻來提供已知的輸出電壓。
• CMOS施密特觸發(fā)輸入：輸入具有高阻抗，可等效為一個電阻與輸入電容并聯(lián)。施密特觸發(fā)輸入架構(gòu)提供了遲滯特性，使器件對緩慢或有噪聲的輸入具有很強的耐受性。不過，使用緩慢過渡信號驅(qū)動輸入會增加器件的動態(tài)電流消耗，因此建議對未使用的輸入進行適當端接。
• 鉗位二極管結(jié)構(gòu)：器件的輸入和輸出都有正、負鉗位二極管，但要注意電壓不能超過絕對最大額定值，否則可能損壞器件。

3.3 器件功能模式

通過功能表可以清楚地了解不同輸入選擇信號C、B、A和輸出使能OE組合下，輸出Y和W的狀態(tài)。例如，當OE為高電平時，Y和W都處于高阻抗狀態(tài)；當OE為低電平時，根據(jù)C、B、A的不同組合選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)源輸出。

4. 應(yīng)用與實現(xiàn)

4.1 典型應(yīng)用

在典型應(yīng)用中，SN74HCS251-Q1可作為8選1多路復(fù)用器，與控制器系統(tǒng)、多個設(shè)備進行連接。例如，通過控制器系統(tǒng)的選擇信號CBA和輸出使能OE來選擇不同的設(shè)備數(shù)據(jù)進行輸出。

4.2 設(shè)計要求

• 電源考慮：電源電壓必須在推薦工作條件范圍內(nèi)，正電源要能提供足夠的電流，包括所有輸出所需電流、最大靜態(tài)電源電流和開關(guān)所需的瞬態(tài)電流；地要能吸收相應(yīng)的電流。同時，器件能驅(qū)動的負載總電容最好不超過50pF，負載電阻要滿足 (R{L} ≥V{O} / I_{O}) 。可根據(jù)相關(guān)文檔計算總功耗和熱增加，并且要確保不超過絕對最大額定值中的最大結(jié)溫。
• 輸入考慮：輸入信號需跨越規(guī)定的閾值才能被識別為邏輯低或邏輯高，未使用的輸入必須連接到VCC或地。由于器件具有施密特觸發(fā)輸入，對輸入信號過渡速率沒有要求，且能一定程度上抑制噪聲，可參考電氣特性中的ΔVT(min)來確定噪聲容忍度。此外，與標準CMOS輸入不同，施密特觸發(fā)輸入在保持在有效值時不會大幅增加功耗。
• 輸出考慮：正電源電壓用于產(chǎn)生輸出高電壓，地電壓用于產(chǎn)生輸出低電壓。推挽輸出不能直接連接，以免產(chǎn)生過大電流損壞器件。同一器件中具有相同輸入信號的兩個通道可并聯(lián)以增加輸出驅(qū)動強度，未使用的輸出可浮空，但不能直接連接到VCC或地。

4.3 詳細設(shè)計步驟

• 添加去耦電容：從VCC到GND添加去耦電容，并將其物理上靠近器件，電氣上靠近VCC和GND引腳。
• 控制負載電容：確保輸出負載電容 ≤ 50pF，可通過合理設(shè)計走線來實現(xiàn)。
• 滿足負載電阻要求：輸出負載電阻要大于 ((V{CC} / I{O(max )})) Ω。
• 考慮熱問題：雖然邏輯門的熱問題通常較少，但仍需根據(jù)相關(guān)文檔計算功耗和熱增加。

5. 電源與布局建議

5.1 電源建議

電源電壓應(yīng)在推薦范圍內(nèi)，每個VCC端子都應(yīng)配備旁路電容，推薦使用0.1μF的電容，也可并聯(lián)多個電容以抑制不同頻率的噪聲，且電容應(yīng)盡量靠近電源端子。

5.2 布局指南

對于多輸入和多通道邏輯器件，輸入不能浮空。未使用的輸入引腳必須連接到邏輯高或邏輯低電壓，一般連接到GND或VCC，具體取決于器件功能。

5.3 布局示例

在布局示例中，建議對GND進行填充以提高信號隔離、降低噪聲和實現(xiàn)熱耗散，去耦電容要靠近器件放置，未使用的輸入要正確連接到VCC或GND，避免信號線路出現(xiàn)90°拐角。

6. 器件與文檔支持

TI為該器件提供了豐富的開發(fā)工具和文檔支持，包括相關(guān)應(yīng)用報告。用戶可通過ti.com訂閱文檔更新通知，還可在TI E2E?支持論壇獲取快速、專業(yè)的設(shè)計幫助。同時，要注意該器件可能會受到ESD損壞，需采取適當?shù)姆雷o措施。

總之，SN74HCS251-Q1是一款性能出色的汽車級8選1多路復(fù)用器，在設(shè)計時，電子工程師需要充分了解其各項特性和參數(shù)，嚴格遵守設(shè)計要求和布局建議，以確保器件能穩(wěn)定、可靠地工作。大家在實際應(yīng)用中遇到過哪些與多路復(fù)用器相關(guān)的問題呢？歡迎在評論區(qū)交流分享。