ULN2001達林頓晶體管陣列：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林頓晶體管陣列。它以其高電壓、大電流的驅(qū)動能力和良好的抗干擾性能，在各種工業(yè)控制、家用電器和自動化設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。盡管其名稱中包含“2001”，但實際上這個系列還包括ULN2002、ULN2003、ULN2004等型號，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通常指的是這個系列中的某個特定型號，但這里我們將以ULN2003為例進行講解，因為它在實際應(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。對于8腳的ULN2001，它通常是這個系列中某個精簡版本，例如可能只包含部分達林頓對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，包含七個獨立的達林頓對。如果您特別指明是“8腳ULN2001”，這可能是一個封裝上的變體，但其核心功能和達林頓對的原理是共通的。

本文將重點解析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。

一、ULN200X系列芯片概述

ULN200X系列芯片是一款復(fù)合達林頓晶體管陣列，其內(nèi)部集成了七個獨立的達林頓晶體管對。每個達林頓對都由兩個晶體管串聯(lián)組成，以實現(xiàn)極高的電流增益（beta值），從而能夠用微小的輸入電流驅(qū)動較大的負載電流。此外，每個達林頓對的輸出端都并聯(lián)了一個續(xù)流二極管，用于在驅(qū)動感性負載（如繼電器線圈、步進電機等）時，釋放感應(yīng)電動勢，保護芯片內(nèi)部的晶體管不被反向電壓擊穿。這種設(shè)計使得ULN200X系列成為驅(qū)動繼電器、燈泡、LED顯示器、步進電機、蜂鳴器以及其他高電流負載的理想選擇。

主要特點：

• 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)動多種高壓負載。

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

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

• TTL/CMOS兼容輸入： 不同型號的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)動電路集成在一個芯片中，簡化了電路設(shè)計和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引腳封裝為例進行詳細說明。如果您特指的“8腳ULN2001”是一個特定的精簡封裝，其引腳功能原理依然與此處描述的達林頓對功能一致，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)： 這七個引腳是輸入端，分別對應(yīng)七個獨立的達林頓晶體管對的基極。當(dāng)這些引腳接收到高電平信號（對于ULN2003，通常是TTL或CMOS兼容的邏輯高電平，例如大于2.4V）時，對應(yīng)的達林頓晶體管對就會導(dǎo)通。每個輸入引腳內(nèi)部都串聯(lián)了一個限流電阻，以確保輸入電流在合理范圍內(nèi)，同時兼容各種邏輯電平。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。所有的達林頓晶體管對的發(fā)射極都連接到這個引腳。在電路設(shè)計中，這個引腳必須可靠地連接到電源的負極或地線。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)部的七個達林頓晶體管對的集電極都連接到對應(yīng)的輸出引腳（OUT1-OUT7），而每個集電極與COM引腳之間都反向并聯(lián)了一個續(xù)流二極管。這個COM引腳通常連接到感性負載的電源正極。當(dāng)驅(qū)動感性負載（如繼電器、步進電機線圈）時，在關(guān)閉驅(qū)動信號的瞬間，線圈會產(chǎn)生一個反向的感應(yīng)電動勢。這些續(xù)流二極管的作用就是提供一個放電通路，將感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的反向電流導(dǎo)回電源，從而保護達林頓晶體管不被高壓擊穿。如果電路中沒有感性負載，或者感性負載的反向電動勢由其他方式抑制，那么這個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載的電源正極以提供保護。

• 引腳10 (OUT7) - 引腳16 (OUT1)： 這七個引腳是輸出端，分別對應(yīng)七個獨立的達林頓晶體管對的集電極。這些是開路集電極輸出，意味著它們在不導(dǎo)通時處于高阻態(tài)，導(dǎo)通時則連接到GND。因此，要驅(qū)動負載，通常需要將負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)對應(yīng)的輸入引腳為高電平時，輸出引腳將被拉低（接近GND），從而使負載回路導(dǎo)通，電流流過負載。

簡化8腳ULN2001的推測：

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

• 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): 若干個輸入引腳，對應(yīng)不同的達林頓對。

• OUTx (輸出): 若干個輸出引腳，對應(yīng)不同的達林頓對。

• COM (公共續(xù)流): 如果存在感性負載保護需求，可能會有一個公共續(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（Datasheet）**為準(zhǔn)。不同制造商、不同封裝的同一型號芯片，甚至同一制造商在不同生產(chǎn)批次，都可能存在細微差異。

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獨立的達林頓晶體管對。每個達林頓對都是一個復(fù)合晶體管，由兩個NPN型晶體管串聯(lián)組成，如下圖所示（簡化示意）：

   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. 達林頓對（Darlington Pair）：

• 當(dāng)輸入引腳（IN）接收到高電平信號時，電流流過限流電阻R，進入第一個晶體管Q1的基極。

• Q1導(dǎo)通，其集電極電流將作為第二個晶體管Q2的基極電流。

• 由于Q1和Q2的電流增益 (beta) 是相乘關(guān)系，因此整個達林頓對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很大的電流。

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

2. 續(xù)流二極管：

• 每個達林頓對的集電極（OUT引腳）與COM引腳之間都并聯(lián)了一個續(xù)流二極管。這個二極管是反向連接的，即陽極接COM，陰極接OUT。

• 當(dāng)達林頓對導(dǎo)通并驅(qū)動感性負載時（例如，繼電器線圈得電），電流在線圈中建立。

• 當(dāng)達林頓對突然截止（輸入信號變?yōu)榈碗娖剑r，線圈中的電流試圖維持，導(dǎo)致線圈兩端產(chǎn)生一個與加電時方向相反的高壓感應(yīng)電動勢。

• 如果沒有續(xù)流二極管，這個高壓會直接加到達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，這個反向電動勢會通過二極管形成一個回路，將線圈中儲存的能量以電流的形式釋放，從而保護了達林頓晶體管。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)動能力和保護功能，在多種應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

1. 驅(qū)動繼電器

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)動其線圈。微控制器等弱電流輸出設(shè)備無法直接驅(qū)動繼電器，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。

當(dāng)微控制器輸出高電平到INx時，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，OUTx高阻態(tài)，繼電器失電，繼電器釋放。

2. 驅(qū)動LED顯示器或LED燈串

ULN200X可以用于驅(qū)動共陽極的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)碼管的公共陽極連接到LED的工作電源正極。

• 每個LED（或數(shù)碼管段）的陰極通過一個限流電阻R_limit連接到ULN200X的某個輸出引腳（OUTx）。限流電阻用于保護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，以防萬一。

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

3. 驅(qū)動步進電機

ULN200X系列常用于驅(qū)動小型步進電機，特別是四相步進電機。由于步進電機內(nèi)部有多個線圈，且其本質(zhì)是感性負載，ULN200X的多個通道和內(nèi)置續(xù)流二極管非常適合此應(yīng)用。

                   +V_Motor (步進電機工作電壓)
                         |
                  ┌───────┴───────┐
                  │               │
                  │   步進電機線圈A  │   步進電機線圈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：

• 步進電機的線圈通常有一端連接到電機的公共端（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引腳連接到電機的工作電源正極（+V_Motor）以提供續(xù)流保護。

• 微控制器通過控制ULN200X的輸入引腳INx來按照步進電機的驅(qū)動時序進行高低電平切換，從而控制不同線圈的通斷，實現(xiàn)步進電機的轉(zhuǎn)動。

4. 驅(qū)動蜂鳴器或小型直流電機

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

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

說明：

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

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

五、ULN200X系列選型與使用注意事項

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

1. 型號選擇

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。 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。

簡而言之，如果您使用的是5V的單片機（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))： 單個輸出通道的電流不能超過500mA，整個芯片的總接地電流不能超過2.5A。如果單個負載電流較大，或多個負載同時導(dǎo)通，需要仔細核算總電流，避免過載。

• 功耗： 盡管ULN200X的功耗相對較低，但在驅(qū)動大電流負載時，芯片會發(fā)熱。如果多個通道長時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。布線時應(yīng)盡量粗短，避免長而細的走線，以減少接地電阻和壓降。

• COM引腳： 在驅(qū)動感性負載時，COM引腳（引腳9）必須連接到負載電源的正極。這是提供續(xù)流保護的關(guān)鍵。如果連接不正確或不連接，感性負載的反向電動勢可能會損壞芯片。

• 電源去耦： 雖然ULN200X本身對電源紋波不敏感，但在一些高頻開關(guān)應(yīng)用中，在電源引腳附近放置一個小的陶瓷電容（例如0.1uF）可以進一步穩(wěn)定電源。

4. 驅(qū)動感性負載

• 重要性： 對于繼電器、電機、蜂鳴器等所有帶有線圈的感性負載，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)對一般感性負載。但如果負載的感應(yīng)電動勢特別高或需要更快的能量釋放，外部并聯(lián)一個更大的肖特基二極管可以提供額外保護。

5. 并聯(lián)使用

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

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

6. 輸入信號

• 電平匹配： 確保輸入信號的電壓電平與所選ULN200X型號的輸入兼容。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，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，您可能還會遇到ULN2803這樣的型號。它們的主要區(qū)別在于通道數(shù)量：

• ULN200X系列： 通常包含七個獨立的達林頓晶體管對。

• ULN2803系列： 通常包含八個獨立的達林頓晶體管對。

除了通道數(shù)量，它們在電氣特性和應(yīng)用上非常相似，ULN2803只是提供了更多的驅(qū)動通道，適合需要驅(qū)動更多負載的場景。

七、總結(jié)

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

在實際應(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)動感性負載時，正確連接COM引腳是保護芯片和保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。通過仔細選擇合適的型號并遵循設(shè)計規(guī)范，ULN200X系列將成為您電子項目中的得力助手。