CD40106/74HC14施密特觸發(fā)器芯片引腳圖及詳細(xì)介紹

　　CD40106（CMOS系列）和74HC14（高速CMOS系列）是兩種常見(jiàn)的施密特觸發(fā)器芯片，它們?cè)跀?shù)字電路中扮演著至關(guān)重要的角色。雖然它們屬于不同的邏輯系列，但功能相似，都集成了多個(gè)施密特反相器，能夠?qū)斎胄盘?hào)進(jìn)行整形和噪聲抑制。理解這兩種芯片的引腳圖、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理、電氣特性以及應(yīng)用是電子工程師必備的知識(shí)。本文將詳細(xì)探討這兩種芯片，并提供深入的分析。

　　施密特觸發(fā)器概述

　　施密特觸發(fā)器是一種具有遲滯特性的比較器。與普通比較器不同，施密特觸發(fā)器在輸入信號(hào)上升和下降時(shí)，其閾值電壓是不同的。這種特性被稱為“遲滯”或“回差”，它有效地消除了輸入信號(hào)在閾值附近抖動(dòng)引起的輸出振蕩，從而提高了電路的抗噪聲能力和穩(wěn)定性。

　　施密特觸發(fā)器通常用于將慢變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為清晰的數(shù)字信號(hào)，或者從噪聲中提取出有用的信號(hào)。在數(shù)字電路中，它常被用作波形整形器、脈沖生成器、振蕩器以及各種開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的去抖動(dòng)電路。

　　CD40106 六路施密特觸發(fā)器

　　CD40106是CMOS系列的六路反相施密特觸發(fā)器。它包含了六個(gè)獨(dú)立的施密特反相器，每個(gè)反相器都有獨(dú)立的輸入和輸出。由于是CMOS器件，CD40106具有低功耗、寬電源電壓范圍（通常3V到18V）的特點(diǎn)，非常適合電池供電和對(duì)功耗要求較高的應(yīng)用。

　　CD40106 引腳圖

　　CD40106最常見(jiàn)的封裝是14引腳雙列直插（DIP）封裝。其引腳分配如下：

　　引腳1 (1Y): 第1個(gè)施密特反相器的輸出。

　　引腳2 (1A): 第1個(gè)施密特反相器的輸入。

　　引腳3 (2Y): 第2個(gè)施密特反相器的輸出。

　　引腳4 (2A): 第2個(gè)施密特反相器的輸入。

　　引腳5 (3Y): 第3個(gè)施密特反相器的輸出。

　　引腳6 (3A): 第3個(gè)施密特反相器的輸入。

　　引腳7 (VSS): 負(fù)電源端，通常接地（GND）。

　　引腳8 (4A): 第4個(gè)施密特反相器的輸入。

　　引腳9 (4Y): 第4個(gè)施密特反相器的輸出。

　　引腳10 (5A): 第5個(gè)施密特反相器的輸入。

　　引腳11 (5Y): 第5個(gè)施密特反相器的輸出。

　　引腳12 (6A): 第6個(gè)施密特反相器的輸入。

　　引腳13 (6Y): 第6個(gè)施密特反相器的輸出。

　　引腳14 (VDD): 正電源端。

　　圖1: CD40106 DIP-14封裝引腳圖

　　CD40106 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

　　CD40106的每個(gè)施密特反相器內(nèi)部都包含一個(gè)由場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）組成的施密特觸發(fā)器電路。其核心是一個(gè)反饋回路，該回路導(dǎo)致了遲滯效應(yīng)的產(chǎn)生。當(dāng)輸入電壓從低電平逐漸升高時(shí)，輸出保持在高電平，直到輸入電壓達(dá)到正向閾值電壓（VT+），此時(shí)輸出突然翻轉(zhuǎn)為低電平。反之，當(dāng)輸入電壓從高電平逐漸降低時(shí)，輸出保持在低電平，直到輸入電壓降至負(fù)向閾值電壓（VT-），此時(shí)輸出突然翻轉(zhuǎn)為高電平。由于VT+大于VT-，形成了一個(gè)電壓窗口，使得輸入信號(hào)在此窗口內(nèi)的噪聲不會(huì)引起輸出的誤觸發(fā)。

　　以單個(gè)反相器為例，其輸入端是一個(gè)高阻抗的CMOS柵極，輸出端是一個(gè)CMOS推挽輸出級(jí)，可以提供較大的拉電流和灌電流。這種結(jié)構(gòu)使得CD40106能夠直接驅(qū)動(dòng)CMOS和TTL負(fù)載（在適當(dāng)?shù)碾妷杭嫒輻l件下）。

　　CD40106 電氣特性

　　電源電壓范圍 (VDD): 3V 至 18V。

　　輸入電壓范圍: 0V 至 VDD。

　　遲滯電壓 (VH): 遲滯電壓是正向閾值電壓（VT+）和負(fù)向閾值電壓（VT-）之差，即VH = VT+ - VT-。遲滯電壓是施密特觸發(fā)器最重要的參數(shù)之一，它決定了芯片的抗噪聲能力。CD40106的遲滯電壓與電源電壓相關(guān)，通常為VDD的20%到30%。例如，在VDD=5V時(shí)，VH約為1.5V。

　　傳播延遲: 輸入信號(hào)變化到輸出信號(hào)變化所需的時(shí)間。CD40106的傳播延遲相對(duì)較長(zhǎng)，通常在幾十納秒到幾百納秒之間，取決于電源電壓和負(fù)載電容。

　　靜態(tài)功耗: 由于是CMOS器件，CD40106的靜態(tài)功耗極低，在納安級(jí)別。這使得它非常適合低功耗應(yīng)用。

　　輸出電流: 具有一定的輸出驅(qū)動(dòng)能力，可以驅(qū)動(dòng)CMOS負(fù)載或少量TTL負(fù)載。

　　CD40106 典型應(yīng)用

　　波形整形器: 將噪聲大或形狀不規(guī)則的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為清晰的方波數(shù)字信號(hào)，常用于傳感器接口。

　　去抖動(dòng)電路: 對(duì)機(jī)械開(kāi)關(guān)（如按鈕）的抖動(dòng)進(jìn)行消除，確保輸出信號(hào)的穩(wěn)定。

　　振蕩器: 結(jié)合RC網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器振蕩器，產(chǎn)生方波或脈沖信號(hào)。

　　定時(shí)電路: 用于需要精確延遲或定時(shí)功能的應(yīng)用。

　　脈沖發(fā)生器: 生成特定寬度或頻率的脈沖。

　　74HC14 六路施密特觸發(fā)器

　　74HC14是高速CMOS（High-speed CMOS）系列的六路反相施密特觸發(fā)器。與CD40106類似，它也集成了六個(gè)獨(dú)立的施密特反相器，但其工作速度更快，輸出驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)，且與TTL器件的電平兼容性更好（在5V電源電壓下）。74HC14是74系列邏輯芯片中的一員，通常用于對(duì)速度和驅(qū)動(dòng)能力有更高要求的數(shù)字電路中。

　　74HC14 引腳圖

　　74HC14同樣最常見(jiàn)的是14引腳雙列直插（DIP）封裝。其引腳分配與CD40106完全相同，以便于替代和設(shè)計(jì)：

　　引腳1 (1Y): 第1個(gè)施密特反相器的輸出。

　　引腳2 (1A): 第1個(gè)施密特反相器的輸入。

　　引腳3 (2Y): 第2個(gè)施密特反相器的輸出。

　　引腳4 (2A): 第2個(gè)施密特反相器的輸入。

　　引腳5 (3Y): 第3個(gè)施密特反相器的輸出。

　　引腳6 (3A): 第3個(gè)施密特反相器的輸入。

　　引腳7 (GND): 負(fù)電源端，通常接地。

　　引腳8 (4A): 第4個(gè)施密特反相器的輸入。

　　引腳9 (4Y): 第4個(gè)施密特反相器的輸出。

　　引腳10 (5A): 第5個(gè)施密特反相器的輸入。

　　引腳11 (5Y): 第5個(gè)施密特反相器的輸出。

　　引腳12 (6A): 第6個(gè)施密特反相器的輸入。

　　引腳13 (6Y): 第6個(gè)施密特反相器的輸出。

　　引腳14 (VCC): 正電源端。

　　圖2: 74HC14 DIP-14封裝引腳圖

　　74HC14 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

　　74HC14的內(nèi)部結(jié)構(gòu)同樣基于MOSFET，但其設(shè)計(jì)針對(duì)高速操作進(jìn)行了優(yōu)化。它采用了更小的晶體管尺寸和更優(yōu)化的版圖設(shè)計(jì)，以減小寄生電容和電阻，從而實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)速度。與CD40106類似，每個(gè)反相器都通過(guò)內(nèi)部反饋實(shí)現(xiàn)遲滯特性。當(dāng)輸入電壓達(dá)到上升閾值（VT+）時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)；當(dāng)輸入電壓降至下降閾值（VT-）時(shí)，輸出再次翻轉(zhuǎn)。這些閾值在5V電源電壓下通常設(shè)計(jì)為與TTL兼容。

　　74HC14 電氣特性

　　電源電壓范圍 (VCC): 2V 至 6V。相比CD40106，其電源電壓范圍較窄，更常用于5V或3.3V的數(shù)字系統(tǒng)。

　　輸入電壓范圍: 0V 至 VCC。

　　遲滯電壓 (VH): 74HC14的遲滯電壓同樣與電源電壓相關(guān)，但通常更精確和標(biāo)準(zhǔn)化。例如，在VCC=5V時(shí)，VT+通常在2.5V至3V之間，VT-在1.5V至2V之間，遲滯電壓約為0.5V至1V。這個(gè)遲滯值對(duì)于噪聲抑制非常有效。

　　傳播延遲: 74HC14的傳播延遲遠(yuǎn)低于CD40106，通常在幾納秒到幾十納秒之間，這使其能夠勝任更高頻率的應(yīng)用。

　　靜態(tài)功耗: 盡管是高速CMOS，74HC14的靜態(tài)功耗依然很低，但由于其內(nèi)部晶體管的優(yōu)化，在高速開(kāi)關(guān)時(shí)動(dòng)態(tài)功耗會(huì)略高于CD40106（在相同頻率下）。

　　輸出電流: 具有較強(qiáng)的輸出驅(qū)動(dòng)能力，可以直接驅(qū)動(dòng)多個(gè)TTL負(fù)載或CMOS負(fù)載，通常每個(gè)輸出可以提供數(shù)毫安的電流。

　　74HC14 典型應(yīng)用

　　高速波形整形: 在高速數(shù)字系統(tǒng)中，對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，確保信號(hào)的完整性和可靠性。

　　時(shí)鐘發(fā)生器: 利用其快速響應(yīng)和遲滯特性，可以構(gòu)建精確的時(shí)鐘振蕩器。

　　去抖動(dòng)電路: 在高速數(shù)字輸入中對(duì)機(jī)械開(kāi)關(guān)進(jìn)行去抖動(dòng)處理。

　　脈沖整形與生成: 在需要生成窄脈沖或精確控制脈沖寬度的應(yīng)用中，74HC14表現(xiàn)優(yōu)異。

　　噪聲抑制: 在存在電磁干擾（EMI）或射頻干擾（RFI）的環(huán)境中，有效抑制信號(hào)線上的噪聲。

　　CD40106 與 74HC14 的比較與選擇

　　如何選擇？

　　在選擇CD40106或74HC14時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行權(quán)衡：

　　電源電壓： 如果電路工作在5V以上（如9V、12V甚至15V），則CD40106是唯一的選擇，因?yàn)?4HC14無(wú)法承受高電壓。如果電源電壓是3.3V或5V，則兩者均可考慮。

　　工作速度： 如果對(duì)信號(hào)的響應(yīng)速度要求不高，例如簡(jiǎn)單的去抖動(dòng)或低頻振蕩器，CD40106即可滿足要求。如果需要處理高速信號(hào)，或者構(gòu)建高頻振蕩器，那么74HC14的性能優(yōu)勢(shì)會(huì)非常明顯。

　　功耗： 對(duì)于電池供電或?qū)挠袊?yán)格限制的應(yīng)用，CD40106的極低靜態(tài)功耗可能更具吸引力。然而，在高速切換時(shí)，74HC14的動(dòng)態(tài)功耗會(huì)增加，但靜態(tài)功耗依然很低。

　　驅(qū)動(dòng)能力： 如果需要驅(qū)動(dòng)多個(gè)后續(xù)邏輯門或具有較大電容的負(fù)載，74HC14的更強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力會(huì)更合適。

　　抗噪聲能力： 兩者都具有良好的抗噪聲能力。CD40106的遲滯電壓通常更大，理論上在極端噪聲環(huán)境下表現(xiàn)可能更優(yōu)。但74HC14的遲滯值在標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平下也足夠有效。

　　邏輯電平兼容性： 在5V電源下，74HC14與TTL邏輯電平有較好的兼容性，可以直接與TTL器件互聯(lián)。CD40106則主要與CMOS邏輯電平兼容。

　　總的來(lái)說(shuō)，74HC14是數(shù)字電路中更常用的選擇，因?yàn)樗峁┝怂俣群万?qū)動(dòng)能力的平衡，并且廣泛應(yīng)用于5V和3.3V的數(shù)字系統(tǒng)中。CD40106則在寬電源電壓和極低功耗的特定應(yīng)用中仍有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

　　施密特觸發(fā)器的典型應(yīng)用電路

　　1. 按鈕去抖動(dòng)電路

　　機(jī)械按鈕在按下或松開(kāi)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列短時(shí)間的抖動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致數(shù)字系統(tǒng)誤判為多次操作。施密特觸發(fā)器可以有效地消除這種抖動(dòng)。

　　電路描述：

　　一個(gè)按鈕通常與一個(gè)上拉電阻連接到VDD，另一端接地。當(dāng)按鈕未按下時(shí)，輸入端為高電平；按下時(shí)，輸入端被拉低。由于按鈕抖動(dòng)，輸入電壓會(huì)在高電平和低電平之間快速來(lái)回跳動(dòng)。將按鈕的輸出連接到施密特觸發(fā)器的輸入端，施密特觸發(fā)器的遲滯特性會(huì)過(guò)濾掉這些快速的電壓變化。只有當(dāng)電壓穩(wěn)定地超過(guò)或低于遲滯閾值時(shí)，輸出才會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

　　圖3: 按鈕去抖動(dòng)電路

　　2. RC振蕩器

　　施密特觸發(fā)器結(jié)合電阻（R）和電容（C）可以構(gòu)成簡(jiǎn)單的方波振蕩器。

　　電路描述：

　　將施密特反相器的輸出通過(guò)一個(gè)電阻連接到其輸入，并將一個(gè)電容連接在輸入和地之間。當(dāng)輸出為高電平（VDD）時(shí)，電容通過(guò)電阻充電，輸入電壓逐漸升高。當(dāng)輸入電壓達(dá)到VT+時(shí)，輸出翻轉(zhuǎn)為低電平（0V）。此時(shí)，電容開(kāi)始通過(guò)電阻放電，輸入電壓逐漸降低。當(dāng)輸入電壓達(dá)到VT-時(shí)，輸出再次翻轉(zhuǎn)為高電平。這個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)，形成周期性的方波輸出。

　　振蕩頻率主要由R和C的值決定，大致公式為：fapprox1/(2timesRtimesCtimesln((V_DD?V_T?)/(V_DD?V_T+)))。對(duì)于大多數(shù)施密特振蕩器，一個(gè)簡(jiǎn)化的近似公式為 fapprox1/(RtimesC) 或 fapprox1/(1.2timesRtimesC)。

　　圖4: 施密特觸發(fā)器RC振蕩器

　　3. 波形整形器

　　將模擬信號(hào)（例如傳感器輸出的慢變信號(hào)或有噪聲的信號(hào)）連接到施密特觸發(fā)器的輸入端，可以得到一個(gè)清晰的方波數(shù)字信號(hào)。

　　電路描述：

　　傳感器或其他模擬源的輸出信號(hào)直接連接到施密特觸發(fā)器的輸入。當(dāng)輸入信號(hào)上升并超過(guò)VT+時(shí)，施密特觸發(fā)器輸出低電平。當(dāng)輸入信號(hào)下降并低于VT-時(shí)，施密特觸發(fā)器輸出高電平。由于遲滯效應(yīng)，即使輸入信號(hào)在閾值附近有小的波動(dòng)，輸出也能保持穩(wěn)定。

　　圖5: 波形整形器

　　4. 脈沖發(fā)生器

　　結(jié)合外部元件，施密特觸發(fā)器可以用于生成特定寬度的脈沖。例如，一個(gè)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（monostable multivibrator）可以由施密特觸發(fā)器構(gòu)建，在接收到觸發(fā)信號(hào)后產(chǎn)生一個(gè)固定寬度的脈沖。

　　電路描述（非穩(wěn)定多諧振蕩器為例）：

　　使用兩個(gè)施密特反相器。第一個(gè)反相器的輸出通過(guò)一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)連接到第二個(gè)反相器的輸入。第一個(gè)反相器的輸入接地或固定在某一電平。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)反相器輸出高電平時(shí)，電容充電；當(dāng)輸出低電平時(shí)，電容放電。由于RC網(wǎng)絡(luò)的延遲和施密特觸發(fā)器的遲滯，可以在第二個(gè)反相器輸出端得到一個(gè)連續(xù)的脈沖序列。

　　圖6: 施密特觸發(fā)器非穩(wěn)定多諧振蕩器

　　這個(gè)例子展示了施密特觸發(fā)器在產(chǎn)生穩(wěn)定和可控脈沖方面的能力。

　　設(shè)計(jì)考慮與注意事項(xiàng)

　　在使用CD40106或74HC14施密特觸發(fā)器時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)，以確保電路的穩(wěn)定性和可靠性：

　　電源去耦： 在VDD/VCC引腳和GND引腳之間靠近芯片放置一個(gè)0.1μF的陶瓷旁路電容（去耦電容）。這個(gè)電容可以有效地濾除電源線上的高頻噪聲，并為芯片的瞬態(tài)電流提供一個(gè)低阻抗路徑，從而提高電路的穩(wěn)定性，防止自激振蕩或數(shù)據(jù)紊亂。在高速應(yīng)用中，去耦電容尤為重要。

　　輸入未用處理： 未使用的輸入引腳不能懸空。對(duì)于CMOS器件，懸空的輸入引腳容易受到噪聲干擾，導(dǎo)致芯片誤動(dòng)作甚至損壞。未使用的輸入引腳應(yīng)連接到VDD/VCC或GND，或者連接到已使用的輸入引腳（如果邏輯功能允許）。例如，對(duì)于未使用的反相器，可以將輸入接地，這樣其輸出將保持高電平。

　　輸入保護(hù)： 施密特觸發(fā)器的輸入端具有ESD（靜電放電）保護(hù)二極管，但仍然需要注意避免輸入電壓超過(guò)VDD/VCC或低于GND。過(guò)高的電壓可能會(huì)損壞內(nèi)部保護(hù)電路。在極端情況下，可能需要外部限流電阻或二極管來(lái)進(jìn)一步保護(hù)輸入端。

　　遲滯效應(yīng)的理解： 施密特觸發(fā)器的核心在于其遲滯特性。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，務(wù)必理解遲滯電壓VT+和VT-的含義，以及它們?nèi)绾斡绊懶盘?hào)的翻轉(zhuǎn)點(diǎn)。例如，在波形整形應(yīng)用中，遲滯電壓決定了能夠有效抑制的噪聲幅度。在振蕩器應(yīng)用中，遲滯電壓直接影響振蕩頻率。

　　輸出負(fù)載能力： 雖然74HC14具有較強(qiáng)的輸出驅(qū)動(dòng)能力，但仍然需要確保其輸出電流不超過(guò)數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的最大值。過(guò)大的負(fù)載電流會(huì)導(dǎo)致輸出電壓下降，甚至損壞芯片。在驅(qū)動(dòng)高電流負(fù)載時(shí)，應(yīng)考慮使用額外的驅(qū)動(dòng)器或緩沖器。

　　噪聲與干擾： 盡管施密特觸發(fā)器本身具有抗噪聲能力，但在布局布線時(shí)仍應(yīng)盡量減少信號(hào)線的長(zhǎng)度，避免平行布線，并采用良好的接地設(shè)計(jì)，以最大程度地減少外部噪聲的耦合。電源線和地線應(yīng)足夠粗，以降低阻抗。

　　溫度影響： 施密特觸發(fā)器的電氣特性（如閾值電壓、傳播延遲）會(huì)隨著溫度的變化而略有漂移。在寬溫度范圍的應(yīng)用中，需要查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)了解這些參數(shù)的變化范圍，并考慮其對(duì)電路性能的影響。

　　封裝類型： CD40106和74HC14除了常見(jiàn)的DIP封裝外，還可能提供SOP、TSSOP等表面貼裝封裝。在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，需要根據(jù)所選的封裝類型繪制正確的封裝尺寸和焊盤布局。

　　未來(lái)展望與發(fā)展

　　盡管CD40106和74HC14是經(jīng)典的通用邏輯芯片，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，但隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，它們也在不斷演進(jìn)。

　　更小的封裝： 為了適應(yīng)小型化和高密度集成需求，這些芯片正在向更小的表面貼裝封裝（如SOT、SC-70、VSSOP等）發(fā)展，以便在空間受限的設(shè)備中應(yīng)用。

　　更低的功耗： 新一代的CMOS工藝技術(shù)使得邏輯芯片的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗進(jìn)一步降低，這對(duì)于延長(zhǎng)電池壽命和綠色電子產(chǎn)品至關(guān)重要。例如，LVC、AUP、V系列等超低功耗邏輯系列正在出現(xiàn)。

　　更寬的電壓范圍： 盡管CD40106已經(jīng)提供了較寬的電壓范圍，但未來(lái)可能會(huì)有更靈活的電源電壓兼容性，以適應(yīng)更多異構(gòu)系統(tǒng)中的電壓轉(zhuǎn)換需求。

　　集成度更高： 在某些應(yīng)用中，施密特觸發(fā)器可能會(huì)被集成到更復(fù)雜的SoC（System on Chip）或FPGA（Field-Programmable Gate Array）中，作為其內(nèi)部功能模塊之一，從而減少外部元件數(shù)量并提高系統(tǒng)集成度。

　　特殊功能集成： 除了基本的施密特觸發(fā)功能，未來(lái)可能會(huì)出現(xiàn)集成更多輔助功能（如欠壓鎖定、過(guò)壓保護(hù)、開(kāi)漏輸出等）的施密特觸發(fā)器芯片，以滿足特定應(yīng)用的復(fù)雜需求。

　　施密特觸發(fā)器作為數(shù)字電路中的基礎(chǔ)組件，其原理和應(yīng)用將持續(xù)存在。無(wú)論是作為獨(dú)立的芯片，還是作為更大系統(tǒng)中的一個(gè)模塊，它們都將繼續(xù)為信號(hào)完整性、噪聲抑制和波形整形提供重要的解決方案。掌握這些經(jīng)典芯片的知識(shí)，對(duì)于理解和設(shè)計(jì)現(xiàn)代電子系統(tǒng)至關(guān)重要。