ULN2001達(dá)林頓晶體管陣列：引腳解析與應(yīng)用詳解

ULN2001系列集成電路是SGS-Thomson微電子公司（現(xiàn)為意法半導(dǎo)體STMicroelectronics）生產(chǎn)的一款非常流行的七路達(dá)林頓晶體管陣列。它以其高電壓、大電流的驅(qū)動(dòng)能力和良好的抗干擾性能，在各種工業(yè)控制、家用電器和自動(dòng)化設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。盡管其名稱中包含“2001”，但實(shí)際上這個(gè)系列還包括ULN2002、ULN2003、ULN2004等型號(hào)，它們的主要區(qū)別在于輸入電阻的配置，以適應(yīng)不同的邏輯電平兼容性。ULN2001通常指的是這個(gè)系列中的某個(gè)特定型號(hào)，但這里我們將以ULN2003為例進(jìn)行講解，因?yàn)樗趯?shí)際應(yīng)用中最為常見和代表性，且ULN2001與其在引腳功能上具有高度相似性，僅輸入電阻略有差異。對(duì)于8腳的ULN2001，它通常是這個(gè)系列中某個(gè)精簡(jiǎn)版本，例如可能只包含部分達(dá)林頓對(duì)或者采用不同的封裝形式。然而，主流和最常用的ULN200X系列芯片通常是16引腳的DIP（雙列直插式）或SOP（小外形封裝）形式，包含七個(gè)獨(dú)立的達(dá)林頓對(duì)。如果您特別指明是“8腳ULN2001”，這可能是一個(gè)封裝上的變體，但其核心功能和達(dá)林頓對(duì)的原理是共通的。

本文將重點(diǎn)解析ULN200X系列芯片（以ULN2003為例）的引腳功能、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、典型應(yīng)用以及選擇注意事項(xiàng)。

一、ULN200X系列芯片概述

ULN200X系列芯片是一款復(fù)合達(dá)林頓晶體管陣列，其內(nèi)部集成了七個(gè)獨(dú)立的達(dá)林頓晶體管對(duì)。每個(gè)達(dá)林頓對(duì)都由兩個(gè)晶體管串聯(lián)組成，以實(shí)現(xiàn)極高的電流增益（beta值），從而能夠用微小的輸入電流驅(qū)動(dòng)較大的負(fù)載電流。此外，每個(gè)達(dá)林頓對(duì)的輸出端都并聯(lián)了一個(gè)續(xù)流二極管，用于在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載（如繼電器線圈、步進(jìn)電機(jī)等）時(shí)，釋放感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，保護(hù)芯片內(nèi)部的晶體管不被反向電壓擊穿。這種設(shè)計(jì)使得ULN200X系列成為驅(qū)動(dòng)繼電器、燈泡、LED顯示器、步進(jìn)電機(jī)、蜂鳴器以及其他高電流負(fù)載的理想選擇。

主要特點(diǎn)：

• 高壓輸出： 芯片的集電極開路輸出最高可承受50V的電壓，足以驅(qū)動(dòng)多種高壓負(fù)載。

• 大電流能力： 每個(gè)輸出通道的集電極最大持續(xù)電流可達(dá)500mA，峰值電流可達(dá)600mA。整個(gè)芯片的總接地引腳最大電流可達(dá)2.5A。

• 內(nèi)置續(xù)流二極管： 每個(gè)輸出都帶有一個(gè)公共陰極的鉗位二極管，用于感性負(fù)載的保護(hù)。

• TTL/CMOS兼容輸入： 不同型號(hào)的ULN200X（如ULN2001、ULN2003、ULN2004）通過調(diào)整輸入電阻來適應(yīng)不同邏輯電平的微控制器或邏輯電路。ULN2003適用于TTL邏輯電平，而ULN2001和ULN2004則分別針對(duì)不同的輸入電壓范圍。

• 寬溫度范圍： 適用于工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用。

• 單片集成： 七路驅(qū)動(dòng)電路集成在一個(gè)芯片中，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)和PCB布局。

二、ULN200X系列（以ULN2003為例）引腳圖解析

通常情況下，ULN200X系列采用16引腳的DIP或SOP封裝。這里我們以ULN2003的16引腳封裝為例進(jìn)行詳細(xì)說明。如果您特指的“8腳ULN2001”是一個(gè)特定的精簡(jiǎn)封裝，其引腳功能原理依然與此處描述的達(dá)林頓對(duì)功能一致，只是通道數(shù)量可能減少。

以下是ULN2003的典型引腳分布及其功能：

• 引腳1 (IN1) - 引腳7 (IN7)： 這七個(gè)引腳是輸入端，分別對(duì)應(yīng)七個(gè)獨(dú)立的達(dá)林頓晶體管對(duì)的基極。當(dāng)這些引腳接收到高電平信號(hào)（對(duì)于ULN2003，通常是TTL或CMOS兼容的邏輯高電平，例如大于2.4V）時(shí)，對(duì)應(yīng)的達(dá)林頓晶體管對(duì)就會(huì)導(dǎo)通。每個(gè)輸入引腳內(nèi)部都串聯(lián)了一個(gè)限流電阻，以確保輸入電流在合理范圍內(nèi)，同時(shí)兼容各種邏輯電平。這些電阻的大小是ULN2001、ULN2003、ULN2004之間主要區(qū)別所在。例如，ULN2003的輸入電阻通常是2.7kΩ，適用于5V TTL/CMOS邏輯。

• 引腳8 (GND)： 這是芯片的公共接地引腳。所有的達(dá)林頓晶體管對(duì)的發(fā)射極都連接到這個(gè)引腳。在電路設(shè)計(jì)中，這個(gè)引腳必須可靠地連接到電源的負(fù)極或地線。它是所有通過芯片的電流的返回路徑，因此其布線應(yīng)足夠粗壯，以避免電壓降過大。

• 引腳9 (COM)： 這是公共續(xù)流二極管的陰極引腳。芯片內(nèi)部的七個(gè)達(dá)林頓晶體管對(duì)的集電極都連接到對(duì)應(yīng)的輸出引腳（OUT1-OUT7），而每個(gè)集電極與COM引腳之間都反向并聯(lián)了一個(gè)續(xù)流二極管。這個(gè)COM引腳通常連接到感性負(fù)載的電源正極。當(dāng)驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載（如繼電器、步進(jìn)電機(jī)線圈）時(shí)，在關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)的瞬間，線圈會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這些續(xù)流二極管的作用就是提供一個(gè)放電通路，將感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的反向電流導(dǎo)回電源，從而保護(hù)達(dá)林頓晶體管不被高壓擊穿。如果電路中沒有感性負(fù)載，或者感性負(fù)載的反向電動(dòng)勢(shì)由其他方式抑制，那么這個(gè)COM引腳可以懸空不接，或者直接接到VCC，但通常建議將其連接到負(fù)載的電源正極以提供保護(hù)。

• 引腳10 (OUT7) - 引腳16 (OUT1)： 這七個(gè)引腳是輸出端，分別對(duì)應(yīng)七個(gè)獨(dú)立的達(dá)林頓晶體管對(duì)的集電極。這些是開路集電極輸出，意味著它們?cè)诓粚?dǎo)通時(shí)處于高阻態(tài)，導(dǎo)通時(shí)則連接到GND。因此，要驅(qū)動(dòng)負(fù)載，通常需要將負(fù)載的一端連接到外部電源的正極，另一端連接到這些輸出引腳。當(dāng)對(duì)應(yīng)的輸入引腳為高電平時(shí)，輸出引腳將被拉低（接近GND），從而使負(fù)載回路導(dǎo)通，電流流過負(fù)載。

簡(jiǎn)化8腳ULN2001的推測(cè)：

如果存在一個(gè)8腳的ULN2001封裝，考慮到其引腳數(shù)量的限制，它很可能是一個(gè)具有較少通道數(shù)量（例如2-4個(gè)通道）的精簡(jiǎn)版本。其引腳分布可能如下推測(cè)（具體仍需查閱對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊(cè)）：

• VCC/VDD (電源正極): 芯片工作所需電源。

• GND (接地): 芯片公共接地。

• INx (輸入): 若干個(gè)輸入引腳，對(duì)應(yīng)不同的達(dá)林頓對(duì)。

• OUTx (輸出): 若干個(gè)輸出引腳，對(duì)應(yīng)不同的達(dá)林頓對(duì)。

• COM (公共續(xù)流): 如果存在感性負(fù)載保護(hù)需求，可能會(huì)有一個(gè)公共續(xù)流二極管引腳。

重要提示： 任何關(guān)于特定芯片引腳功能的準(zhǔn)確信息都應(yīng)以**官方數(shù)據(jù)手冊(cè)（Datasheet）**為準(zhǔn)。不同制造商、不同封裝的同一型號(hào)芯片，甚至同一制造商在不同生產(chǎn)批次，都可能存在細(xì)微差異。

三、ULN200X系列內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

ULN200X系列芯片的核心是七個(gè)獨(dú)立的達(dá)林頓晶體管對(duì)。每個(gè)達(dá)林頓對(duì)都是一個(gè)復(fù)合晶體管，由兩個(gè)NPN型晶體管串聯(lián)組成，如下圖所示（簡(jiǎn)化示意）：

   IN (輸入)
     |
     R (限流電阻)
     |
     /|
    | B |
    |   |  Q1
    | C |
     |/
      |
      |------------------|>|------------------ COM (公共續(xù)流)
      |
     /|
    | B |
    |   |  Q2
    | C |
     |/
      |
      |
      |
     OUT (輸出)
      |
      |
      GND (發(fā)射極公共接地)

工作原理：

1. 達(dá)林頓對(duì)（Darlington Pair）：

• 當(dāng)輸入引腳（IN）接收到高電平信號(hào)時(shí)，電流流過限流電阻R，進(jìn)入第一個(gè)晶體管Q1的基極。

• Q1導(dǎo)通，其集電極電流將作為第二個(gè)晶體管Q2的基極電流。

• 由于Q1和Q2的電流增益 (beta) 是相乘關(guān)系，因此整個(gè)達(dá)林頓對(duì)的總電流增益非常高（通常在1000以上）。這意味著即使輸入電流很小，也能在輸出端控制一個(gè)很大的電流。

• 當(dāng)輸入引腳（IN）為低電平或懸空時(shí)，Q1和Q2都截止，輸出引腳（OUT）處于高阻態(tài)。

2. 續(xù)流二極管：

• 每個(gè)達(dá)林頓對(duì)的集電極（OUT引腳）與COM引腳之間都并聯(lián)了一個(gè)續(xù)流二極管。這個(gè)二極管是反向連接的，即陽(yáng)極接COM，陰極接OUT。

• 當(dāng)達(dá)林頓對(duì)導(dǎo)通并驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)（例如，繼電器線圈得電），電流在線圈中建立。

• 當(dāng)達(dá)林頓對(duì)突然截止（輸入信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑r(shí)，線圈中的電流試圖維持，導(dǎo)致線圈兩端產(chǎn)生一個(gè)與加電時(shí)方向相反的高壓感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

• 如果沒有續(xù)流二極管，這個(gè)高壓會(huì)直接加到達(dá)林頓晶體管的集電極-發(fā)射極之間，很容易擊穿晶體管。

• 有了續(xù)流二極管，這個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)會(huì)通過二極管形成一個(gè)回路，將線圈中儲(chǔ)存的能量以電流的形式釋放，從而保護(hù)了達(dá)林頓晶體管。電流通過二極管流回電源（如果COM連接到電源正極），或者在二極管和線圈內(nèi)部耗散，直到能量耗盡。

四、ULN200X系列典型應(yīng)用電路

ULN200X系列因其驅(qū)動(dòng)能力和保護(hù)功能，在多種應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

1. 驅(qū)動(dòng)繼電器

這是ULN200X最常見的應(yīng)用之一。繼電器是一種電磁開關(guān)，需要一定的電流來驅(qū)動(dòng)其線圈。微控制器等弱電流輸出設(shè)備無法直接驅(qū)動(dòng)繼電器，ULN200X則能很好地充當(dāng)橋梁。

                   +V_Load (繼電器工作電壓)
                         |
                       ┌───┐
                       │繼電器線圈│
                       └─┬─┘
                         |
                   OUTx (ULN200X輸出)
                         |
                   ULN200X INx -------- 微控制器IO口
                         |
                   GND (ULN200X接地)

說明：

• 將繼電器線圈的一端連接到繼電器的電源正極（例如12V或24V），另一端連接到ULN200X的某個(gè)輸出引腳（OUTx）。

• 將ULN200X的公共接地引腳GND連接到微控制器的地。

• 將ULN200X的輸入引腳INx連接到微控制器的某個(gè)GPIO口。

• 將ULN200X的COM引腳連接到繼電器的電源正極（+V_Load），以提供續(xù)流保護(hù)。

當(dāng)微控制器輸出高電平到INx時(shí)，ULN200X的OUTx引腳被拉低，繼電器線圈得電，繼電器吸合。當(dāng)微控制器輸出低電平或斷開時(shí)，OUTx高阻態(tài)，繼電器失電，繼電器釋放。

2. 驅(qū)動(dòng)LED顯示器或LED燈串

ULN200X可以用于驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極的LED顯示器（如七段數(shù)碼管）或多路LED燈串。

                   +V_LED (LED工作電壓)
                         |
                       ┌───┐
                       │   │
                       │LED│ (共陽(yáng)極)
                       │   │
                       └─┬─┘
                         |
                   R_limit (限流電阻)
                         |
                   OUTx (ULN200X輸出)
                         |
                   ULN200X INx -------- 微控制器IO口
                         |
                   GND (ULN200X接地)

說明：

• LED燈串或數(shù)碼管的公共陽(yáng)極連接到LED的工作電源正極。

• 每個(gè)LED（或數(shù)碼管段）的陰極通過一個(gè)限流電阻R_limit連接到ULN200X的某個(gè)輸出引腳（OUTx）。限流電阻用于保護(hù)LED，防止過流。

• ULN200X的GND連接到微控制器的地。

• ULN200X的INx連接到微控制器的GPIO口。

• 在這種應(yīng)用中，由于LED是阻性負(fù)載，COM引腳可以懸空或接地，但通常也建議連接到電源正極，以防萬(wàn)一。

當(dāng)微控制器輸出高電平到INx時(shí)，ULN200X的OUTx引腳被拉低，LED點(diǎn)亮。

3. 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)

ULN200X系列常用于驅(qū)動(dòng)小型步進(jìn)電機(jī)，特別是四相步進(jìn)電機(jī)。由于步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部有多個(gè)線圈，且其本質(zhì)是感性負(fù)載，ULN200X的多個(gè)通道和內(nèi)置續(xù)流二極管非常適合此應(yīng)用。

                   +V_Motor (步進(jìn)電機(jī)工作電壓)
                         |
                  ┌───────┴───────┐
                  │               │
                  │   步進(jìn)電機(jī)線圈A  │   步進(jìn)電機(jī)線圈B
                  │               │
                  └───────┬───────┘
                          |
                  OUT1 (ULN200X輸出) OUT2 (ULN200X輸出) ...
                          |
                  ULN200X IN1 ------- 微控制器GPIO1
                  ULN200X IN2 ------- 微控制器GPIO2
                          |
                  GND (ULN200X接地)
                  COM (ULN200X) ---- +V_Motor

說明：

• 步進(jìn)電機(jī)的線圈通常有一端連接到電機(jī)的公共端（通常是電源正極）。

• 線圈的另一端連接到ULN200X的不同輸出引腳（OUTx）。

• COM引腳連接到電機(jī)的工作電源正極（+V_Motor）以提供續(xù)流保護(hù)。

• 微控制器通過控制ULN200X的輸入引腳INx來按照步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序進(jìn)行高低電平切換，從而控制不同線圈的通斷，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

4. 驅(qū)動(dòng)蜂鳴器或小型直流電機(jī)

類似的，ULN200X也可以用來驅(qū)動(dòng)需要較大電流的蜂鳴器或小型直流電機(jī)（非PWM控制）。

                   +V_Load (蜂鳴器/電機(jī)工作電壓)
                         |
                       ┌───┐
                       │負(fù)載│ (蜂鳴器/直流電機(jī))
                       └─┬─┘
                         |
                   OUTx (ULN200X輸出)
                         |
                   ULN200X INx -------- 微控制器IO口
                         |
                   GND (ULN200X接地)
                   COM (ULN200X) ---- +V_Load (若負(fù)載為感性)

說明：

• 將負(fù)載的一端連接到其工作電源正極，另一端連接到ULN200X的某個(gè)輸出引腳。

• 如果是感性負(fù)載（如帶有線圈的蜂鳴器），COM引腳應(yīng)連接到負(fù)載的電源正極進(jìn)行保護(hù)。

五、ULN200X系列選型與使用注意事項(xiàng)

在選擇和使用ULN200X系列芯片時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵因素：

1. 型號(hào)選擇

ULN2001、ULN2002、ULN2003、ULN2004的主要區(qū)別在于輸入電阻。選擇合適的型號(hào)以匹配您的微控制器或邏輯電路的輸出邏輯電平至關(guān)重要。

• ULN2001: 輸入電阻通常為10.5kΩ，適用于CMOS邏輯電路，工作電壓較高。

• ULN2002: 輸入電阻通常為2.7kΩ，適用于14-25V PMOS邏輯。

• ULN2003: 最常用型號(hào)。 輸入電阻通常為2.7kΩ，適用于TTL和5V CMOS邏輯電路。其輸入閾值通常在0.7V（低）和2.4V（高）之間，與標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平兼容。

• ULN2004: 輸入電阻通常為1.05kΩ，適用于6-15V CMOS邏輯電路。

簡(jiǎn)而言之，如果您使用的是5V的單片機(jī)（如Arduino、STM32等），通常選擇ULN2003是最穩(wěn)妥的選擇。

2. 電氣參數(shù)考慮

• 輸出電壓 (VCE(max))： 確保負(fù)載的工作電壓不超過芯片的額定輸出電壓（通常為50V）。

• 輸出電流 (IC(max))： 單個(gè)輸出通道的電流不能超過500mA，整個(gè)芯片的總接地電流不能超過2.5A。如果單個(gè)負(fù)載電流較大，或多個(gè)負(fù)載同時(shí)導(dǎo)通，需要仔細(xì)核算總電流，避免過載。

• 功耗： 盡管ULN200X的功耗相對(duì)較低，但在驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載時(shí)，芯片會(huì)發(fā)熱。如果多個(gè)通道長(zhǎng)時(shí)間工作在大電流狀態(tài)，可能需要考慮散熱問題，如使用散熱片或增大PCB銅箔面積來輔助散熱。芯片的最大功耗通常為2.25W。

• 輸入電壓/電流： 確保微控制器的GPIO輸出電壓和拉電流能力與ULN200X的輸入要求匹配。ULN200X的輸入電流通常在毫安級(jí)別。

3. 接地與布線

• GND引腳： ULN200X的GND引腳（引腳8）是所有輸出電流的返回路徑，因此必須將其可靠、低阻抗地連接到電源地。布線時(shí)應(yīng)盡量粗短，避免長(zhǎng)而細(xì)的走線，以減少接地電阻和壓降。

• COM引腳： 在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)，COM引腳（引腳9）必須連接到負(fù)載電源的正極。這是提供續(xù)流保護(hù)的關(guān)鍵。如果連接不正確或不連接，感性負(fù)載的反向電動(dòng)勢(shì)可能會(huì)損壞芯片。

• 電源去耦： 雖然ULN200X本身對(duì)電源紋波不敏感，但在一些高頻開關(guān)應(yīng)用中，在電源引腳附近放置一個(gè)小的陶瓷電容（例如0.1uF）可以進(jìn)一步穩(wěn)定電源。

4. 驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載

• 重要性： 對(duì)于繼電器、電機(jī)、蜂鳴器等所有帶有線圈的感性負(fù)載，COM引腳的正確連接至關(guān)重要。

• 續(xù)流二極管選擇： ULN200X內(nèi)置的續(xù)流二極管通常足以應(yīng)對(duì)一般感性負(fù)載。但如果負(fù)載的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)特別高或需要更快的能量釋放，外部并聯(lián)一個(gè)更大的肖特基二極管可以提供額外保護(hù)。

5. 并聯(lián)使用

• 增加電流能力： 如果單個(gè)輸出通道的500mA電流不足以驅(qū)動(dòng)特定負(fù)載，可以將兩個(gè)或更多個(gè)達(dá)林頓對(duì)的輸入和輸出引腳并聯(lián)起來使用，以增加驅(qū)動(dòng)電流。例如，將IN1、IN2連接到同一輸入信號(hào)，OUT1、OUT2連接到同一負(fù)載，則理論上可以驅(qū)動(dòng)1A的負(fù)載。

• 注意事項(xiàng)： 并聯(lián)使用時(shí)，需要確保各通道的輸入信號(hào)同步，且所有并聯(lián)的GND都可靠連接。

6. 輸入信號(hào)

• 電平匹配： 確保輸入信號(hào)的電壓電平與所選ULN200X型號(hào)的輸入兼容。例如，ULN2003需要高電平（>2.4V）才能導(dǎo)通。

• 最小/最大電壓： 查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)，了解輸入引腳的最小高電平電壓和最大低電平電壓，以及最大輸入電壓。避免輸入電壓過高損壞芯片。

六、ULN200X與ULN2803的區(qū)別

除了ULN200X系列，您可能還會(huì)遇到ULN2803這樣的型號(hào)。它們的主要區(qū)別在于通道數(shù)量：

• ULN200X系列： 通常包含七個(gè)獨(dú)立的達(dá)林頓晶體管對(duì)。

• ULN2803系列： 通常包含八個(gè)獨(dú)立的達(dá)林頓晶體管對(duì)。

除了通道數(shù)量，它們?cè)陔姎馓匦院蛻?yīng)用上非常相似，ULN2803只是提供了更多的驅(qū)動(dòng)通道，適合需要驅(qū)動(dòng)更多負(fù)載的場(chǎng)景。

七、總結(jié)

ULN200X系列達(dá)林頓晶體管陣列是一款功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的驅(qū)動(dòng)芯片。它以其高壓、大電流的驅(qū)動(dòng)能力和內(nèi)置的感性負(fù)載保護(hù)功能，極大地簡(jiǎn)化了微控制器與高功耗負(fù)載之間的接口設(shè)計(jì)。無論是驅(qū)動(dòng)繼電器、LED、步進(jìn)電機(jī)還是其他感性或阻性負(fù)載，ULN200X都能提供可靠且高效的解決方案。

在實(shí)際應(yīng)用中，理解其引腳功能、內(nèi)部工作原理以及電氣參數(shù)至關(guān)重要。尤其是在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載時(shí)，正確連接COM引腳是保護(hù)芯片和保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。通過仔細(xì)選擇合適的型號(hào)并遵循設(shè)計(jì)規(guī)范，ULN200X系列將成為您電子項(xiàng)目中的得力助手。