SN74ACT153：双4选1数据选择器/多路复用器的详细剖析

在电子设计领域，数据选择器和多路复用器是常见且关键的组件，它们能够高效地实现数据的选择和路由。今天我们要深入探讨的是德州仪器（TI）的SN74ACT153双4选1数据选择器/多路复用器，看看它在实际应用中能为我们带来怎样的便利和优势。

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一、器件概述

SN74ACT153是一款高速硅栅CMOS多路复用器，非常适合用于多路复用和数据路由应用。它内部包含两个独立的4选1多路复用器，由共享的控制逻辑进行控制。该器件的工作电压范围为4.5V至5.5V，具有TTL兼容的输入，能够与多种逻辑电路进行接口。

1.1 器件特性

• 宽电压范围：工作电压范围为4.5V至5.5V，为设计提供了一定的灵活性。
• TTL兼容输入：方便与TTL逻辑器件进行接口，降低了设计的复杂度。
• 强大的输出驱动能力：在5V电源下，连续输出驱动电流可达±24mA，短时间内可支持高达±75mA的输出驱动电流，还能驱动50Ω的传输线。
• 高速运行：最大延迟仅为8.2ns，能够满足大多数高速应用的需求。

1.2 应用场景

SN74ACT153主要用于数据选择和多路复用，例如在需要从多个数据源中选择一个数据进行传输的系统中，它可以发挥重要作用。

二、器件信息

2.1 封装信息

SN74ACT153提供了两种封装形式：PW（TSSOP，16引脚）和BQB（WQFN，16引脚）。具体的封装尺寸和主体尺寸如下表所示：	PART NUMBER	PACKAGE (1)	PACKAGE SIZE (2)	BODY SIZE (3)
SN74ACT153	PW (TSSOP, 16)	5mm × 6.4mm	5mm × 4.4mm
BQB (WQFN, 16)	3.5mm × 2.5mm	3.5mm × 2.5mm

2.2 引脚配置和功能

SN74ACT153的引脚配置和功能如下表所示：	PIN NO.	NAME	TYPE (1)	DESCRIPTION
1	1G	I	Channel 1, output strobe, active low
2	B	I	Address select B
3	1C3	I	Channel 1, data input 3
4	1C2	I	Channel 1, data input 2
5	1C1	I	Channel 1, data input 1
6	1C0	I	Channel 1, data input 0
7	1Y	O	Channel 1, data output
8	GND	-	Ground
9	2Y	O	Channel 2, data output
10	2C0	I	Channel 2, data input 0
11	2C1	I	Channel 2, data input 1
12	2C2	I	Channel 2, data input 2
13	2C3	I	Channel 2, data input 3
14	A	I	Address select A
15	2G	I	Channel 2, output strobe, active low
16	V CC	P	Positive supply
Thermal pad (2)		-

注：(1) Signal Types: I = Input, O = Output, I/O = Input or Output, G = Ground, P = Power. (2) BQB package only.

三、规格参数

3.1 绝对最大额定值

在使用SN74ACT153时，必须注意其绝对最大额定值，超出这些范围可能会导致器件永久性损坏。具体的绝对最大额定值如下表所示：				MIN	MAX	UNIT
V CC	Supply voltage range		-0.5	7	V
V I	Input voltage range (2)		-0.5	V CC + 0.5	V
V O	Output voltage range (2)		-0.5	V CC + 0.5	V
I IK	Input clamp current	V I < -0.5V or V I > V CC + 0.5V		±20	mA
I OK	Output clamp current	V O < -0.5V or V O > V CC + 0.5V		±50	mA
I O	Continuous output current	V O = 0 to V CC		±50	mA
Continuous current through V CC or GND			±200	mA
T J	Junction temperature			150	°C
T stg	Storage temperature		-65	150	°C

3.2 ESD额定值

该器件的ESD额定值如下：				VALUE	UNIT
V (ESD)	Electrostatic	Human-body model (HBM), per ANSI/ESDA/JEDEC JS-001 (1)	±2000	V
discharge	Charged-device model (CDM), per ANSI/ESDA/JEDEC JS-002 (2)	±1000

3.3 推荐工作条件

为了确保器件的正常工作和性能，建议在以下工作条件下使用：	Spec	Description	Condition	MIN	MAX	UNIT
V CC	Supply voltage		4.5	5.5	V
V IH	High-level input voltage		2		V
V IL	Low-Level input voltage			0.8	V
V I	Input Voltage		0	V CC	V
V O	Output Voltage		0 V CC V
I OH	High-level output current		-24 mA
I OL	Low-level output current		24 mA
Δt/Δv	Input transition rise or fall rate			20	ns/V
T A	Operating free-air temperature		-40	125	°C

3.4 热信息

不同封装的热信息如下表所示：	PACKAGE	PINS	THERMAL METRIC (1)						UNIT
R θJA	R θJC(top)	R θJB	Ψ JT	Ψ JB	R θJC(bot)
PW (TSSOP)	16	139.5	74.8	97.7	17.8	96.6	N/A	°C/W
BQB (WQFN)	16	98.6	94.6	67.7	15.6	67.5	45.9	°C/W

3.5 电气特性

在不同的测试条件下，SN74ACT153的电气特性如下表所示：	PARAMETER	TEST CONDITIONS	V CC	-40°C to 125°C			UNIT
MIN	TYP	MAX
V OH	I OH = -50µA	4.5V	4.4	4.499		V
5.5V	5.4	5.499
I OH = -24mA	4.5V	3.7	4.19
I OH = -24mA	5.5V	4.7	5.22
I OH = -50mA	5.5V	3.85	4.9
I OH = -75mA	5.5V	3.85	4.57
V OL	I OL = 50µA	4.5V		0.001	0.1	V
5.5V		0.001	0.1
I OL = 24mA	4.5V		0.16	0.5
I OL = 24mA	5.5V		0.14	0.5
I OL = 50mA	5.5V		0.3	1.65
I OL = 75mA	5.5V		0.47	1.65
I I	V I = 5.5V or GND	0V to 5.5V		±0.008	±1	µA
I CC	V I = V CC or GND, I O = 0	5.5V		0.1	20	µA
ΔI CC	V I = V CC – 2.1V; Any Input	4.5V to 5.5V		0.1	1.5	mA
C I	V I = V CC or GND	5V		2		pF
C PD	C L = 50pF, F = 1MHz	5V		63		pF

3.6 开关特性

在(C_{L}=50 pF)的条件下，SN74ACT153的开关特性如下表所示：	PARAMETE R	FROM (INPUT)		V CC	-40°C to 125°C			UNIT
TO (OUTPUT)	MIN	TYP	MAX
t PLH	A or B	Y	5V	4.1	6.4	8.5	ns
t PHL	5V	4.6	6.6	8.8	ns
t PLH	C	Y	5V	3.7	5.8	7.7	ns
t PHL	5V	4.4	6.1	8.2	ns
t PLH	G	Y	5V	4	6.1	7.8	ns
t PHL	5V	3.7	5.5	7.2	ns
t r		Any output	5V	1.9	3.4	4.4	ns
t f	5V	1.9	2.9	3.7	ns

3.7 典型特性

文档中还给出了一些典型特性曲线，如不同温度下电源电流与电源电压的关系、高电平输出电压与输出电流的关系、低电平输出电压与输出电流的关系等。这些曲线可以帮助我们更好地了解器件在不同条件下的性能表现。

四、详细描述

4.1 概述

SN74ACT153是一款异步工作的器件，每个Y输出等于由地址输入（A, B）选择的输入。两个通道由相同的地址输入控制。选通（G）输入可以强制相应的Y输出为低电平，而不管其他输入的状态如何。

4.2 功能框图

通过逻辑图可以清晰地看到器件内部的逻辑结构，有助于我们理解其工作原理。

4.3 特性描述

4.3.1 平衡CMOS推挽输出

该器件采用了平衡CMOS推挽输出结构，意味着它能够吸收和源出相似的电流。这种结构在轻负载下可以产生快速的边沿，但在布线和负载条件方面需要特别注意，以防止出现振铃现象。同时，为了避免过流损坏器件，必须限制输出功率，严格遵循绝对最大额定值中定义的电气和热限制。未使用的推挽CMOS输出应保持断开状态。

4.3.2 TTL兼容CMOS输入

SN74ACT153的输入是TTL兼容的CMOS输入，通过降低输入电压阈值，使其能够与TTL逻辑器件进行接口。这些输入具有高阻抗，通常可以建模为一个电阻与输入电容并联的形式。在计算最坏情况下的电阻时，可以使用绝对最大额定值中的最大输入电压和电气特性中的最大输入泄漏电流，根据欧姆定律((R = V ÷ I))进行计算。 需要注意的是，TTL兼容CMOS输入要求输入信号在有效逻辑状态之间快速转换，以满足推荐工作条件表中规定的输入转换时间或速率。如果不满足这一要求，可能会导致功耗过大，并可能引发振荡。在实际应用中，任何时候都不应让TTL兼容CMOS输入处于浮空状态，未使用的输入必须连接到(V_{CC})或GND。如果系统不能始终主动驱动某个输入，可以添加一个上拉或下拉电阻，以在这些时间段内提供有效的输入电压。推荐使用10kΩ的电阻，通常可以满足所有要求。

4.3.3 钳位二极管结构

器件的输入和输出都具有正负极性的钳位二极管。需要特别注意的是，超过绝对最大额定值表中规定的电压可能会损坏器件。不过，如果能够遵守输入和输出钳位电流额定值，输入和输出电压额定值是可以被超过的。

4.4 器件功能模式

文档中给出了功能表，详细列出了SN74ACT153在不同输入条件下的输出状态。通过功能表，我们可以清楚地了解器件的工作逻辑，从而更好地进行设计和应用。

五、应用与实现

5.1 应用信息

SN74ACT153是一款双4选1数据选择器/多路复用器，文档中给出了一个使用该器件切换四个2位数据源的示例，展示了如何进行必要的连接。

5.2 典型应用

典型应用框图展示了如何将SN74ACT153与其他组件（如2:4解码器）结合使用，实现数据的选择和切换。在实际设计中，我们可以根据具体需求进行灵活配置。

5.3 设计要求

5.3.1 电源考虑

• 确保电源电压在推荐工作条件规定的范围内，因为电源电压会影响器件的电气特性。
• 正电源必须能够提供足够的电流，以满足所有输出所需的总电流加上最大静态电源电流(I{CC})以及开关所需的任何瞬态电流。同时，要确保通过(V{CC})的最大总电流不超过绝对最大额定值。
• 接地必须能够吸收足够的电流，以满足所有输出所需的总电流加上最大电源电流(I_{CC})以及开关所需的任何瞬态电流。同样，要确保通过GND的最大总电流不超过绝对最大额定值。
• SN74ACT153能够驱动总电容小于或等于50pF的负载，虽然可以应用更大的电容负载，但不建议超过50pF。
• 负载电阻应满足(R{L} ≥V{O} / I{O})的要求，其中输出电压和电流由电气特性表中的(V{OH})和(V_{OL})定义。
• 可以使用相关的应用笔记来计算总功耗和热增加。

  5.3.2 输入考虑

• 输入信号必须超过(V{IL(max)})才能被视为逻辑低电平，超过(V{IH(min)})才能被视为逻辑高电平，并且不能超过绝对最大额定值中的最大输入电压范围。
• 未使用的输入必须连接到(V_{CC})或地。如果输入完全未使用，可以直接连接；如果输入有时使用有时不使用，可以通过上拉或下拉电阻进行连接。上拉电阻用于默认高电平状态，下拉电阻用于默认低电平状态。控制器的驱动电流、流入SN74ACT153的泄漏电流以及所需的输入转换速率会限制电阻的大小，通常建议使用10kΩ的电阻。
• 由于SN74ACT153具有CMOS输入，因此要求输入信号快速转换，以确保器件正常工作。缓慢的输入转换可能会导致振荡、额外的功耗和器件可靠性降低。

  5.3.3 输出考虑

• 正电源电压用于产生输出高电压，从输出汲取电流会根据电气特性中的(V_{OH})规范降低输出电压。接地