74LS04 引腳圖及功能詳解

74LS04 是一款非常經(jīng)典且應(yīng)用廣泛的六反相器集成電路，屬于 TTL（晶體管-晶體管邏輯）家族的 LS（低功耗肖特基）系列。它在數(shù)字電路設(shè)計(jì)中扮演著基礎(chǔ)而關(guān)鍵的角色，其主要功能是將輸入的邏輯信號(hào)進(jìn)行反相。本篇將詳細(xì)介紹 74LS04 的引腳配置、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電氣特性、工作原理以及典型應(yīng)用，幫助讀者全面理解這款基礎(chǔ)邏輯器件。

一、74LS04 概述

74LS04 是一個(gè)包含六個(gè)獨(dú)立的非門（反相器）的集成電路。每個(gè)非門都有一個(gè)輸入和一個(gè)輸出。當(dāng)輸入為邏輯高電平（HIGH）時(shí)，輸出為邏輯低電平（LOW）；當(dāng)輸入為邏輯低電平（LOW）時(shí)，輸出為邏輯高電平（HIGH）。這種簡(jiǎn)單的反相功能是構(gòu)建更復(fù)雜數(shù)字邏輯電路的基石，廣泛應(yīng)用于信號(hào)反相、電平轉(zhuǎn)換、振蕩器、施密特觸發(fā)器以及數(shù)據(jù)選擇器等多種場(chǎng)景。

“LS”前綴表示該芯片采用了低功耗肖特基（Low-Power Schottky）技術(shù)。與早期的標(biāo)準(zhǔn) TTL 芯片相比，LS 系列在保持較高速度的同時(shí)顯著降低了功耗，這使得它在電池供電和低功耗應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。其卓越的穩(wěn)定性和可靠性也使其成為電子工程師和愛好者的首選器件之一。

二、74LS04 引腳圖與引腳功能

理解 74LS04 的引腳圖是正確使用它的前提。74LS04 通常采用 14 引腳雙列直插式封裝（DIP-14）。以下是其詳細(xì)的引腳排列及功能說明：

從引腳圖中可以看出，74LS04 內(nèi)部包含六個(gè)獨(dú)立的非門。每個(gè)非門都有一個(gè)輸入（nA，其中 n 為非門編號(hào) 1-6）和一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出（nY）。引腳 7 是接地引腳（GND），必須連接到電路的公共地。引腳 14 是電源引腳（VCC），通常連接到 +5V 直流電源。正確的電源連接是芯片正常工作的基本保障，電源電壓的波動(dòng)或不穩(wěn)定性可能會(huì)導(dǎo)致芯片工作異常甚至損壞。

三、74LS04 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

74LS04 的每個(gè)非門都是由晶體管、電阻和二極管組成的復(fù)雜電路，旨在實(shí)現(xiàn)可靠的邏輯反相功能。盡管我們通常將其視為一個(gè)簡(jiǎn)單的“黑盒”執(zhí)行反相操作，但了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有助于深入理解其電氣特性和限制。

1. 典型 TTL 反相器結(jié)構(gòu)

一個(gè)典型的 TTL 反相器通常由以下幾個(gè)部分組成：

• 輸入級(jí)： 通常是一個(gè)多發(fā)射極晶體管，用于接收輸入信號(hào)。當(dāng)輸入為低電平時(shí)，發(fā)射極基極結(jié)導(dǎo)通，拉低基極電位；當(dāng)輸入為高電平時(shí)，發(fā)射極基極結(jié)反偏。

• 中間級(jí)（相移級(jí)）： 負(fù)責(zé)電平轉(zhuǎn)換和放大，確保輸入級(jí)的信號(hào)能夠有效驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)。

• 輸出級(jí)（推拉式輸出）： 也稱為圖騰柱輸出，由兩個(gè)晶體管組成，一個(gè)上拉晶體管和一個(gè)下拉晶體管。當(dāng)輸出為高電平時(shí)，上拉晶體管導(dǎo)通，下拉晶體管截止；當(dāng)輸出為低電平時(shí)，上拉晶體管截止，下拉晶體管導(dǎo)通。這種推拉式結(jié)構(gòu)提供了高電流驅(qū)動(dòng)能力，并確保了快速的開關(guān)速度，同時(shí)降低了功耗。

2. 74LS04 的工作原理

以其中一個(gè)非門為例，假設(shè)其輸入為 A，輸出為 Y：

• 當(dāng)輸入 A 為邏輯低電平（LOW）時(shí)：

• 輸入晶體管的基極-發(fā)射極結(jié)（對(duì)應(yīng) A 端）導(dǎo)通。

• 流過輸入晶體管的電流將驅(qū)動(dòng)中間級(jí)晶體管截止。

• 中間級(jí)晶體管的截止導(dǎo)致輸出級(jí)的上拉晶體管導(dǎo)通，下拉晶體管截止。

• 因此，輸出 Y 被拉高至邏輯高電平（HIGH）。

• 當(dāng)輸入 A 為邏輯高電平（HIGH）時(shí)：

• 輸入晶體管的基極-發(fā)射極結(jié)反偏，輸入電流從基極流入。

• 輸入晶體管導(dǎo)通，使得中間級(jí)晶體管導(dǎo)通。

• 中間級(jí)晶體管的導(dǎo)通導(dǎo)致輸出級(jí)的上拉晶體管截止，下拉晶體管導(dǎo)通。

• 因此，輸出 Y 被拉低至邏輯低電平（LOW）。

這種設(shè)計(jì)確保了輸入和輸出之間嚴(yán)格的反相關(guān)系，并且由于采用了肖特基二極管箝位晶體管，可以有效防止晶體管飽和，從而提高了開關(guān)速度并降低了開關(guān)損耗。

四、74LS04 邏輯功能與真值表

非門的功能是所有邏輯門中最簡(jiǎn)單明了的。它只有一個(gè)輸入和一個(gè)輸出。其核心功能是實(shí)現(xiàn)邏輯非（NOT）操作。

1. 邏輯符號(hào)

非門的邏輯符號(hào)通常是一個(gè)三角形，其尖端帶有一個(gè)小圓圈（反相圓圈）。

• 輸入： A

• 輸出： Y

2. 真值表

真值表清晰地展示了輸入與輸出之間的關(guān)系：

在數(shù)字邏輯中，“0”通常代表低電平（LOW），而“1”代表高電平（HIGH）。從真值表中可以直觀地看到，當(dāng)輸入是低電平時(shí)，輸出是高電平；當(dāng)輸入是高電平時(shí)，輸出是低電平。這就是非門的基本且唯一的邏輯功能。

五、74LS04 主要電氣特性

了解 74LS04 的電氣特性對(duì)于正確設(shè)計(jì)和使用電路至關(guān)重要。這些參數(shù)決定了芯片的供電要求、輸入輸出電平、驅(qū)動(dòng)能力以及速度等。

1. 供電電壓（VCC）

• 推薦工作電壓： 4.75V 到 5.25V

• 典型工作電壓： 5V

74LS04 芯片對(duì)電源電壓有一定要求。過高或過低的電壓都可能導(dǎo)致芯片工作不正常或損壞。通常推薦使用穩(wěn)壓的 +5V 直流電源。

2. 輸入電壓與電流

• 高電平輸入電壓（VIH）： 最小 2.0V

• 輸入電壓高于此值時(shí)，芯片識(shí)別為邏輯高電平。

• 低電平輸入電壓（VIL）： 最大 0.8V

• 輸入電壓低于此值時(shí)，芯片識(shí)別為邏輯低電平。

• 高電平輸入電流（IIH）： 最大 20μA

• 當(dāng)輸入為高電平時(shí)的漏電流。

• 低電平輸入電流（IIL）： 最大 ?0.4mA

• 當(dāng)輸入為低電平時(shí)的灌電流。這是一個(gè)負(fù)值，表示電流從引腳流出。

這些參數(shù)定義了 74LS04 對(duì)輸入信號(hào)的識(shí)別閾值以及輸入端的負(fù)載特性。

3. 輸出電壓與電流

• 高電平輸出電壓（VOH）： 最小 2.7V (帶載時(shí))

• 當(dāng)輸出為高電平時(shí)的最小電壓值。

• 低電平輸出電壓（VOL）： 最大 0.5V (帶載時(shí))

• 當(dāng)輸出為低電平時(shí)的最大電壓值。

• 高電平輸出電流（IOH）： 最大 ?0.4mA

• 當(dāng)輸出為高電平時(shí)的源電流能力，表示芯片可以向外提供的最大電流。

• 低電平輸出電流（IOL）： 最大 8mA

• 當(dāng)輸出為低電平時(shí)的灌電流能力，表示芯片可以吸收的最大電流。

灌電流能力通常大于源電流能力，這是 TTL 系列芯片的典型特點(diǎn)，意味著 TTL 芯片在輸出低電平時(shí)能驅(qū)動(dòng)更多的相同系列的輸入端。

4. 傳播延遲時(shí)間（Propagation Delay Time）

• tPLH（低到高傳播延遲）： 典型 9ns，最大 15ns

• 從輸入信號(hào)的 50% 處到輸出信號(hào)的 50% 處，輸出從低電平變?yōu)楦唠娖剿璧臅r(shí)間。

• tPHL（高到低傳播延遲）： 典型 8ns，最大 15ns

• 從輸入信號(hào)的 50% 處到輸出信號(hào)的 50% 處，輸出從高電平變?yōu)榈碗娖剿璧臅r(shí)間。

傳播延遲是衡量邏輯門速度的關(guān)鍵參數(shù)。74LS04 的典型傳播延遲在納秒級(jí)別，表明它是一款速度較快的邏輯門，適用于大多數(shù)中低速數(shù)字電路。

5. 功耗

• 靜態(tài)功耗（ICC）： 典型 2.4mA (所有輸出為低電平)

• 芯片在沒有開關(guān)活動(dòng)時(shí)的電流消耗。

• 動(dòng)態(tài)功耗： 隨工作頻率的增加而增加。

74LS04 屬于低功耗肖特基系列，其功耗相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn) TTL 芯片有所降低，這在設(shè)計(jì)對(duì)功耗敏感的電路時(shí)是一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。

六、74LS04 典型應(yīng)用電路

74LS04 作為基礎(chǔ)的非門芯片，其應(yīng)用非常廣泛和靈活。以下是一些典型的應(yīng)用場(chǎng)景：

1. 信號(hào)反相

這是 74LS04 最直接也是最常用的功能。在許多數(shù)字電路中，我們需要將信號(hào)進(jìn)行反相以滿足邏輯條件。

• 示例： 將一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)（CLK）反相得到其反相時(shí)鐘信號(hào)（CLK）。

2. 電平轉(zhuǎn)換

雖然 74LS04 本身是 TTL 電平器件，但其輸入輸出特性使其在一定程度上可以用于簡(jiǎn)單的電平兼容性調(diào)整，例如在 TTL 和某些 CMOS 邏輯電平之間進(jìn)行接口。但是，對(duì)于嚴(yán)格的電平轉(zhuǎn)換，通常會(huì)使用專用的電平轉(zhuǎn)換芯片。

3. 振蕩器（多諧振蕩器）

通過將奇數(shù)個(gè)反相器串聯(lián)并構(gòu)成一個(gè)反饋回路，可以構(gòu)建一個(gè)環(huán)形振蕩器。這是產(chǎn)生方波信號(hào)的一種簡(jiǎn)單方法。

• 原理： 當(dāng)三個(gè)非門（或任何奇數(shù)個(gè)非門）串聯(lián)時(shí)，第一個(gè)非門的輸出經(jīng)過兩次反相后回到它的輸入，形成正反饋。由于每個(gè)非門都有傳播延遲，這個(gè)反饋回路會(huì)使得輸出在高低電平之間不斷翻轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生周期性的方波。

• 頻率計(jì)算： 振蕩頻率取決于每個(gè)非門的傳播延遲以及外部元件（如電阻和電容，如果用于 RC 振蕩器）的值。對(duì)于純環(huán)形振蕩器，頻率大約為 f=1/(2×N×tPD)，其中 N 是非門數(shù)量，tPD 是單個(gè)非門的傳播延遲。

• 電路示例：

• 將三個(gè) 74LS04 的非門串聯(lián)：1Y 接 2A，2Y 接 3A，3Y 接 1A。這樣就形成了一個(gè)簡(jiǎn)單的環(huán)形振蕩器。為了穩(wěn)定頻率和提供啟動(dòng)，通常會(huì)加入一些外部元件如電阻和電容。

4. 施密特觸發(fā)器（配合外部元件）

雖然 74LS04 本身不是施密特觸發(fā)器，但可以通過將其與其他元件（如電阻）結(jié)合，實(shí)現(xiàn)帶有滯回特性的施密特觸發(fā)器功能。這對(duì)于處理有噪聲的信號(hào)非常有用，可以防止信號(hào)在閾值附近抖動(dòng)引起的多次翻轉(zhuǎn)。

• 基本思路： 通過正反饋引入滯回，使得芯片的輸入閾值在高電平輸入和低電平輸入時(shí)有所不同，從而提高抗噪聲能力。

5. 脈沖整形與延時(shí)

通過串聯(lián)多個(gè)非門，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的整形和延時(shí)。

• 脈沖整形： 對(duì)于一些有邊沿抖動(dòng)或波形不佳的數(shù)字信號(hào)，通過非門可以使其輸出波形變得更陡峭，實(shí)現(xiàn)整形。

• 延時(shí)： 每個(gè)非門都有固定的傳播延遲。通過串聯(lián)多個(gè)非門，可以累加這些延遲，從而實(shí)現(xiàn)微小的信號(hào)延時(shí)。這在需要精確時(shí)序控制的電路中可能會(huì)用到。

6. 邏輯組合電路

盡管 74LS04 只是非門，但它可以與其他邏輯門（如與門、或門、異或門等）結(jié)合，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的邏輯功能。事實(shí)上，任何布爾邏輯表達(dá)式理論上都可以只用非門（或者只用與非門、或非門）來實(shí)現(xiàn)。

• 示例：

• 與門（AND）的實(shí)現(xiàn)： 將兩個(gè)輸入信號(hào)分別通過一個(gè)非門，然后將兩個(gè)非門的輸出輸入到一個(gè)與非門（NAND）中，最后將與非門的輸出再通過一個(gè)非門，即可實(shí)現(xiàn)與門功能。

• 或門（OR）的實(shí)現(xiàn)： 將兩個(gè)輸入信號(hào)分別通過一個(gè)非門，然后將兩個(gè)非門的輸出輸入到一個(gè)或非門（NOR）中，最后將或非門的輸出再通過一個(gè)非門，即可實(shí)現(xiàn)或門功能。

七、使用 74LS04 的注意事項(xiàng)

在使用 74LS04 或其他 TTL 邏輯芯片時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)以確保其正常、穩(wěn)定工作：

1. 電源去耦

在 VCC 和 GND 引腳之間并聯(lián)一個(gè) 0.1μF 到 0.01μF 的陶瓷電容。這個(gè)去耦電容可以有效地濾除電源上的高頻噪聲，并在芯片開關(guān)瞬間提供瞬時(shí)電流，防止電源電壓跌落，從而提高電路的穩(wěn)定性。對(duì)于一個(gè)包含多個(gè) 74LS04 芯片的電路板，通常建議每隔幾個(gè)芯片放置一個(gè)去耦電容。

2. 未使用的輸入引腳處理

TTL 芯片的未使用的輸入引腳不能懸空。懸空引腳會(huì)像天線一樣拾取環(huán)境中的噪聲，導(dǎo)致輸入電平不穩(wěn)定，從而引起芯片誤動(dòng)作。正確的處理方式有兩種：

• 連接到 VCC： 對(duì)于非門，將未使用的輸入引腳直接連接到 VCC（通過一個(gè) 1kΩ 到 10kΩ 的上拉電阻）。

• 連接到其他已使用的輸入： 如果一個(gè)非門未被使用，可以將其輸入連接到另一個(gè)已使用的非門的輸出，或者將其輸入連接到地。

3. 輸出驅(qū)動(dòng)能力

74LS04 的輸出有其電流驅(qū)動(dòng)限制。在連接到其他芯片或負(fù)載時(shí)，應(yīng)確保負(fù)載的總輸入電流不超過 74LS04 的最大輸出電流（IOH 和 IOL）。超載可能導(dǎo)致輸出電壓達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平，甚至損壞芯片。

4. 輸入電流限制

雖然輸入電流很小，但也要注意不要將輸入電壓超過芯片的絕對(duì)最大額定值，否則可能損壞輸入級(jí)。

5. 避免閂鎖效應(yīng)（Latch-up）

在某些情況下，當(dāng)輸入電壓超過 VCC 或低于 GND 時(shí)，可能會(huì)觸發(fā) TTL 芯片的閂鎖效應(yīng)，導(dǎo)致芯片永久損壞。因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)確保輸入信號(hào)的電壓范圍在允許的范圍內(nèi)。

6. ESD 防護(hù)

所有半導(dǎo)體器件都對(duì)靜電放電（ESD）敏感。在操作 74LS04 芯片時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)?ESD 防護(hù)措施，例如佩戴防靜電腕帶，在防靜電工作臺(tái)上操作。

7. 溫度影響

工作溫度會(huì)影響芯片的電氣特性和可靠性。應(yīng)確保芯片在數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。過高的溫度可能導(dǎo)致芯片性能下降，甚至損壞。

八、74LS04 與其他 TTL/CMOS 邏輯系列的比較

數(shù)字集成電路除了 74LS04 所屬的 74LS 系列外，還有許多其他系列，如 74HC、74HCT、74F、74ALS 等。了解它們之間的區(qū)別有助于選擇合適的芯片。

1. 74LS 系列（低功耗肖特基 TTL）

• 優(yōu)點(diǎn)： 速度較快，功耗相對(duì)標(biāo)準(zhǔn) TTL 較低，驅(qū)動(dòng)能力適中，抗噪聲能力較好。兼容標(biāo)準(zhǔn) TTL 電平。

• 缺點(diǎn)： 功耗仍高于 CMOS 系列，輸入阻抗相對(duì)較低。

2. 74HC 系列（高速 CMOS）

• 優(yōu)點(diǎn)： 功耗非常低（尤其是在靜態(tài)時(shí)），輸入阻抗極高（輸入電流極?。?，工作電壓范圍寬（通常 2V 到 6V），抗噪聲能力強(qiáng)。

• 缺點(diǎn)： 速度通常比 LS 系列慢（盡管高速 CMOS 系列已大大改善），在較高頻率下動(dòng)態(tài)功耗會(huì)增加。

• 兼容性： 輸入輸出電平是 CMOS 電平，與 TTL 電平不完全兼容。

3. 74HCT 系列（高速 CMOS TTL 兼容）

• 優(yōu)點(diǎn)： 具有 CMOS 芯片的低功耗和高輸入阻抗優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其輸入引腳兼容 TTL 電平。這使得它非常適合作為 TTL 和 CMOS 芯片之間的接口。

• 缺點(diǎn)： 性能與 74HC 類似，但在輸入電平兼容性上更勝一籌。

4. 74F 系列（快速 TTL）和 74ALS 系列（先進(jìn)低功耗肖特基 TTL）

• 優(yōu)點(diǎn)： 速度比 74LS 更快。

• 缺點(diǎn)： 功耗通常高于 74LS。

在選擇邏輯芯片時(shí)，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的具體要求（如速度、功耗、工作電壓、驅(qū)動(dòng)能力、環(huán)境溫度以及與其他芯片的兼容性）來決定使用哪個(gè)系列。對(duì)于大多數(shù)入門級(jí)和中速數(shù)字電路，74LS04 依然是一個(gè)非常好的選擇，因?yàn)樗骖櫫怂俣?、功耗和成本?/span>

九、總結(jié)

74LS04 作為數(shù)字邏輯電路中的基礎(chǔ)元件，其六個(gè)獨(dú)立的非門為各種邏輯設(shè)計(jì)提供了靈活而可靠的反相功能。從其簡(jiǎn)單的引腳配置、明確的真值表，到內(nèi)部推拉式輸出結(jié)構(gòu)帶來的良好驅(qū)動(dòng)能力和傳播延遲，無不體現(xiàn)了其在數(shù)字電子領(lǐng)域的實(shí)用價(jià)值。

無論是在構(gòu)建簡(jiǎn)單的信號(hào)反相器、時(shí)鐘振蕩器，還是作為復(fù)雜邏輯電路中的基本構(gòu)件，74LS04 都發(fā)揮著不可替代的作用。理解其電氣特性和正確的使用方法（如電源去耦、未用引腳處理、負(fù)載匹配等）是確保電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

盡管現(xiàn)代數(shù)字電路設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA、微控制器等可編程邏輯器件日益普及，但像 74LS04 這樣的通用邏輯門芯片仍然在許多場(chǎng)合中扮演著重要角色，尤其是在教學(xué)、小型項(xiàng)目、以及需要特定固定邏輯功能的場(chǎng)合。掌握 74LS04 的原理與應(yīng)用，是學(xué)習(xí)和實(shí)踐數(shù)字電子技術(shù)不可或缺的一部分。