SN54HC157和SN74HC157：高速CMOS多路复用器的设计与应用

在电子设计领域，多路复用器是实现数据选择和路由的关键组件。今天，我们将深入探讨德州仪器（TI）的SN54HC157和SN74HC157这两款高速硅栅CMOS多路复用器，了解它们的特性、应用以及设计要点。

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芯片特性与概述

特性亮点

• 宽工作电压范围：这两款芯片的工作电压范围为2V至6V，能够适应多种不同的电源环境，为设计提供了更大的灵活性。
• 低功耗：最大ICC电流仅为80µA，典型的传播延迟时间tpd为11ns，在保证高速性能的同时，有效降低了功耗。
• 高驱动能力：输出能够驱动多达15个LSTTL负载，并且在5V电源下具有±6mA的输出驱动能力。
• 低输入电流：最大输入电流仅为1µA，减少了对前级电路的负载影响。

功能概述

SNx4HC157内部包含四个2:1多路复用器，可用于选择两个数据源之一。所有通道由相同的地址选择（A/B）输入和选通（G）输入控制。当选通端为高电平时，所有输出将被强制拉低。

引脚配置与功能

引脚定义

PIN	NAME	TYPE (1)	DESCRIPTION
1	A/B	I	地址选择
2	1A	I	通道1，数据输入A
3	1B	I	通道1，数据输入B
4	1Y	O	通道1，数据输出
5	2A	I	通道2，数据输入A
6	2B	I	通道2，数据输入B
7	2Y	O	通道2，数据输出
8	GND	-	接地
9	3Y	O	通道3，数据输出
10	3B	I	通道3，数据输入B
11	3A	I	通道3，数据输入A
12	4Y	O	通道4，数据输出
13	4B	I	通道4，数据输入B
14	4A	I	通道4，数据输入A
15	G	I	输出选通，低电平有效
16	VCC	-	正电源

引脚功能说明

• 地址选择（A/B）：用于选择每个通道的输入数据是来自A还是B。
• 选通（G）：低电平有效，当G为低电平时，芯片正常工作；当G为高电平时，所有输出被强制拉低。
• 数据输入（A和B）：每个通道有两个数据输入，通过地址选择信号进行切换。
• 数据输出（Y）：输出所选通道的数据。

规格参数

绝对最大额定值

在设计过程中，必须确保芯片的工作条件不超过绝对最大额定值，否则可能会导致芯片永久性损坏。以下是一些关键的绝对最大额定值：

• 电源电压范围（Vcc）：-0.5V至7V
• 输入钳位电流（IK）：±20mA
• 输出钳位电流（IOK）：±20mA
• 连续输出电流（Io）：±35mA
• 通过Vcc或GND的连续电流：±70mA
• 结温（TJ）：150°C
• 存储温度（Tstg）：-65°C至150°C

推荐工作条件

为了确保芯片的正常工作，建议在推荐工作条件下使用。不同的电源电压会影响芯片的电气特性，因此需要根据具体应用选择合适的电源电压。	参数	SN54HC157			SN74HC157			单位
	MIN	NOM	MAX	MIN	NOM	MAX
Vcc	2	5	6	2	5	6	V
VIH	1.5（Vcc = 2V） 3.15（Vcc = 4.5V） 4.2（Vcc = 6V）			1.5（Vcc = 2V） 3.15（Vcc = 4.5V） 4.2（Vcc = 6V）			V
VIL			0.5（Vcc = 2V） 1.35（Vcc = 4.5V） 1.8（Vcc = 6V）			0.5（Vcc = 2V） 1.35（Vcc = 4.5V） 1.8（Vcc = 6V）	V
TA	-55		125	-55		125	°C

电气特性

电气特性描述了芯片在不同工作条件下的电性能。例如，在不同的电源电压和负载电流下，输出高电平电压（VOH）和输出低电平电压（VOL）会有所不同。	参数	测试条件	VCC	TA = 25°C			SN54HC157		SN74HC157		单位
			MIN	TYP	MAX	MIN	MAX	MIN	MAX
VOH	IOH = -20 μA	2 V	1.9	1.998		1.9		1.9		V
		4.5 V	4.4	4.499		4.4		4.4
		6 V	5.9	5.999		5.9		5.9
	IOH = -6 mA	4.5 V	3.98	4.3		3.7		3.7
	IOH = -7.8 mA	6 V	5.48	5.8		5.2		5.2
VOL	IOL = 20 μA	2 V		0.002	0.1		0.1		0.1	V
		4.5 V		0.001	0.1		0.1		0.1
		6 V		0.001	0.1		0.1		0.1
	IOL = 6 mA	4.5 V		0.17	0.26		0.4		0.4
	IOL = 7.8 mA	6 V		0.15	0.26		0.4		0.4

开关特性

开关特性对于高速应用非常重要，它描述了芯片在信号切换时的响应时间。在不同的电源电压和负载电容下，传播延迟时间（tpd）和转换时间（tt）会有所不同。	参数	从（输入）	到（输出）	Vcc	TA = 25°C			SN54HC157		SN74HC157	单位
			（V）	MIN	TYP	MAX	MIN	MAX	MIN	MAX
tpd	A或B	Y	2		63	125		190		190	ns
			4.5		13	25		38		38
			6		11	21		32		32
	A/B	Y	2		67	125		190		190	ns
			4.5		18	25		38		38
			6		14	21		32		32
tt		Y	2		28	60		90		90	ns
			4.5		8	12		18		18
			6		6	10		15		15

应用与设计要点

典型应用

SNx4HC157可用于多种数据选择和路由应用，例如在一个4位数据总线系统中，通过该芯片可以在两个源设备之间切换数据。

设计要求

电源考虑

• 电源电压范围：确保电源电压在推荐工作条件范围内，不同的电源电压会影响芯片的电气特性。
• 电流供应能力：正电源必须能够提供足够的电流，以满足芯片的静态和动态电流需求。接地端必须能够吸收所有输出电流和电源电流。
• 负载电容：芯片可以驱动总电容小于或等于50pF的负载，以确保满足数据手册的规格要求。
• 负载电阻：负载电阻应满足RL ≥ VO / IO的条件，以防止输出电流超过绝对最大额定值。

输入考虑

• 输入信号电平：输入信号必须超过VIL(max)才能被视为逻辑低电平，超过VIH(min)才能被视为逻辑高电平。
• 未使用输入处理：未使用的输入必须连接到VCC或地，以确保芯片的正常工作。可以使用上拉或下拉电阻来提供稳定的输入电平。
• 输入转换速率：由于芯片具有CMOS输入，输入信号必须快速切换，以避免振荡和额外的功耗。

输出考虑

• 输出低电平电压：输出低电平电压由地电压产生，吸收电流会增加输出电压。
• 未使用输出处理：未使用的输出可以悬空，但不要直接连接到VCC或地。

详细设计步骤

1. 添加去耦电容：在VCC和GND之间添加一个去耦电容，放置在芯片附近，以减少电源噪声。
2. 控制负载电容：确保输出负载电容≤50pF，以优化性能。可以通过提供短而合适尺寸的走线来实现。
3. 控制负载电阻：确保输出负载电阻大于(VCC / IO(max)) Ω，以防止输出电流超过额定值。
4. 热管理：虽然逻辑门的热问题通常不是主要关注点，但可以使用相关应用报告中的方法来计算功耗和热增加。

布局指南

• 旁路电容放置：旁路电容应放置在芯片的正电源端附近，并提供短的接地返回路径。使用宽走线以减少阻抗，并尽量将芯片、电容和走线放在电路板的同一侧。
• 信号走线几何形状：信号走线宽度建议为8mil至12mil，长度小于12cm，以减少传输线效应。避免使用90°角，使用连续的接地平面，并在信号走线周围填充接地。对于长度超过12cm的走线，可以使用阻抗控制走线，并在输出附近使用串联阻尼电阻进行源端匹配。

总结

SN54HC157和SN74HC157是两款性能出色的高速CMOS多路复用器，具有宽工作电压范围、低功耗、高驱动能力等优点。在设计过程中，需要根据芯片的规格参数和应用要求，合理考虑电源、输入、输出等方面的因素，并遵循布局指南，以确保芯片的正常工作和性能优化。希望本文对电子工程师在使用这两款芯片进行设计时有所帮助。你在实际应用中是否遇到过类似芯片的设计挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和问题。