简介
74LS153是一款广泛应用于数字电路中的双4选1数据选择器/多路复用器器件，隶属于TTL（Transistor-Transistor Logic）低功耗肖特基（Low-Power Schottky）系列。作为数字系统设计中的基础器件，74LS153由于其高速、低功耗、引脚功能丰富、可靠性高等特点而得到了广泛认可。在现代电子设计中，无论是简单的信号路由还是复杂的数字逻辑系统，74LS153都能作为关键的多路选择器元件，为工程师在信号切换、多信号处理、数据路径控制等方面提供了方便。本文将从背景概述、引脚功能、内部结构、工作原理、逻辑功能、性能参数、特性优势、应用领域、与其他器件比较、使用注意事项、设计示例等多个角度，对74LS153进行详尽的阐述，帮助读者充分了解并掌握该器件的基础知识与设计要点。

74LS系列及74LS153概述
在数字集成电路的发展历史中，TTL系列曾占据主流地位。其中，TTL低功耗肖特基（LS）家族相较于传统TTL具有功耗更低、速度更快、噪声裕度更大等优势，因此被广泛应用于各种数字系统设计中。74LS系列产品涵盖了基本门电路、多路选择器、触发器、计数器、寄存器等多种逻辑功能模块，满足工程师在不同场合的设计需求。
74LS153便是TTL LS系列中的一款典型双4选1数据选择器／多路复用器集成电路。所谓“4选1”，意味着每个数据选择器有四个数据输入端，通过两个地址选择信号（通常标记为S0、S1）和一个使能信号（Enable）来选择四路输入中的一路输出。如图所示，74LS153内部集成了两个相互独立的4选1选择器单元，每个单元分别对应一组数据输入、地址线、使能控制以及输出端口。因其结构紧凑、功能完善，74LS153被大量应用于数据总线驱动、信号路由控制、并行数据通路切换等场合。随着数字系统规模日趋复杂，对多路复用、数据总线管理的需求也越来越高，74LS153以其设计简单、使用灵活、成本低廉等特点成为了工程师们必备的基础器件之一。

74LS153的引脚功能与封装类型
74LS153通常以16引脚双列直插（DIP-16）或相应的表面贴装（SOIC-16）封装形式出现，引脚分布及功能如下：

• 引脚1 (1C0): 第一个多路复用器的第0路数据输入端

• 引脚2 (1C1): 第一个多路复用器的第1路数据输入端

• 引脚3 (1C2): 第一个多路复用器的第2路数据输入端

• 引脚4 (1C3): 第一个多路复用器的第3路数据输入端

• 引脚5 (1S1): 第一个多路复用器的高位地址选择输入

• 引脚6 (1S0): 第一个多路复用器的低位地址选择输入

• 引脚7 (1G*): 第一个多路复用器的使能控制输入（低电平有效）

• 引脚8 (GND): 逻辑地（0V）

• 引脚9 (2G*): 第二个多路复用器的使能控制输入（低电平有效）

• 引脚10 (2S0): 第二个多路复用器的低位地址选择输入

• 引脚11 (2S1): 第二个多路复用器的高位地址选择输入

• 引脚12 (2C3): 第二个多路复用器的第3路数据输入端

• 引脚13 (2C2): 第二个多路复用器的第2路数据输入端

• 引脚14 (2C1): 第二个多路复用器的第1路数据输入端

• 引脚15 (2C0): 第二个多路复用器的第0路数据输入端

• 引脚16 (VCC): 逻辑电源正（+5V）

引脚分布呈现左右对称布局，左半区主要对应第一个多路复用器（1C0、1C1、1C2、1C3、1S1、1S0、1G*），右半区为第二个多路复用器（2G*、2S0、2S1、2C3、2C2、2C1、2C0），其中第8引脚为地（GND），第16引脚为+5V电源。常见封装形式包括DIP-16、SOIC-16，二者在引脚排列和功能上完全一致，仅针对安装方式及封装尺寸有所差异。

74LS153的内部结构与工作原理
从电路内部结构来看，74LS153每个4选1单元主要包含四个与门、两个或门以及一个输出缓冲器和一个使能控制器。具体原理可概括如下：
当使能端（G*）为低电平时，多路复用器被激活。随后，高位地址选择信号（S1）和低位地址选择信号（S0）同时提供给逻辑译码器，该译码器根据S1、S0的组合状态（00、01、10、11）分别使相应的与门通过，从而将对应的输入数据（C0、C1、C2、C3）传递到输出端。当使能端G*为高电平时，输出端无论地址如何变化，都会保持禁用状态，一般输出为高阻抗／高电平或固定逻辑电平，具体取决于器件内部设计。以第一个多路复用器为例，当1G* = 0（有效），且1S1S0 = 10时，与门对应第2路输入（1C2）导通，输出1Y输出第2路数据；如果1G* = 1，则无论地址如何变化，1Y保持断开或输出固定。第二个多路复用器同理。

在实际器件中，内部电路采用TTL低功耗肖特基工艺，集成了若干个高速肖特基二极管以及双极晶体管，使得器件具备较快的开关速度以及较低的静态功耗。图示内部结构示意图中，可以看到每个与门的输入端分别连接到对应的数据输入和译码输出，译码电路通过S1、S0产生四路互斥的控制信号，确保仅有一路数据输入能通过与门。同时，输出端有一个推挽缓冲器，用于驱动后级负载，保证输出逻辑电平的完整性与动态响应性能。由于内部实现中对信号进行充分隔离和缓冲，74LS153在不增加外围负载的情况下，能够稳定输出所选通路的数据，满足中、低速数字系统对数据切换与路由的需求。

逻辑功能与真值表
74LS153的核心功能是将四路数据之一通过地址译码后输出，或者在使能端禁用时无输出。该功能可以用如下真值表表示（以第一个多路复用器为例，第二个相同）：

从上表可见，当使能端G*为低电平时，地址信号S1、S0的不同组合选择不同的C输入，实现数据多路复用功能。当使能端G*为高电平时，无论地址信号如何变化，输出端Y始终处于禁用状态。第二个多路复用器（2G*、2S1、2S0、2C0、2C1、2C2、2C3、2Y）功能与第一个多路复用器完全相同，独立工作。

74LS153的电气特性与参数
74LS153的基本电气参数如下（典型值及极限值具体参数以官方数据手册为准，下文仅作示例说明）：

电源电压（VCC）

• 工作电压范围：4.75V ~ 5.25V

• 推荐工作电压：5V

输入电平

• 高电平输入电压（VIH）：≥2.0V

• 低电平输入电压（VIL）：≤0.8V

输出电平

• 高电平输出电压（VOH，IOH = –400µA）：≥2.7V

• 低电平输出电压（VOL，IOL = 8mA）：≤0.5V

静态电流

• 平均输入电流（II，VI = 5V）：最大40µA

• 平均输出关断电流：最大0.1µA

• 静态电源电流（ICC，无负载）：典型19mA，最大片内温度变化相关

动态特性

• 传播延迟时间：tPLH / tPHL（C0→Y0/1C1→Y0、C2→Y1/C3→Y1）在CL = 50pF时，典型7ns ~ 12ns，最大15ns

• 地址到输出传播延迟：S→Y 典型10ns ~ 15ns

• 使能到输出禁用/有效时间：G*→Y 禁用/有效 典型12ns ~ 16ns

负载能力

• 最大输出驱动能力：可驱动TTL输入10个标准门负载（扇入 = 10）

• 建议输出负载电容：≤50pF

工作温度范围

• 商用级：0℃ ~ 70℃

• 工业级：–40℃ ~ +85℃

以上电气参数使74LS153能够在常规TTL环境下稳定工作，并承担中等规模负载的输出需求。由于采用低功耗肖特基技术，静态功耗较传统TTL有所降低，适合大规模集成设计中的功耗考虑。

特性与优势
74LS153凭借其结构设计与工艺特色，表现出多种显著优势：

1. 双通道独立工作
   74LS153集成了两个互相独立的4选1多路复用器，每一路有各自的地址选择信号和使能端，可在同一芯片上同时完成两组不同信号的多路切换，节省PCB空间并简化设计布局。

2. 高速响应
   采用LS低功耗肖特基工艺，74LS153拥有典型传播延迟时间较短（约10ns左右）的特点，适用于时序要求较高的数字电路领域，能够保证信号切换的快速响应。

3. 较低功耗
   相对于传统TTL系列，LS系列在静态电流方面有所降低，74LS153在无负载时静态电流典型约19mA（两个通道同时工作时），有助于降低整体系统功耗。

4. 容错与保护功能
   器件内部对输入信号具备良好抗干扰能力，对于输入尖峰、电压抖动具有一定容忍度；同时输出具推挽结构，具备短路保护及热稳定机制。在正常工作状态下，器件可靠性高。

5. 扇入扇出能力强
   输出可驱动多达10个标准TTL输入负载，适用于多级逻辑级联及信号分发应用。对于中小规模数字系统中，74LS153可以作为桥接器件，实现信号分配与数据路径选择。

6. 通用性与灵活性
   74LS153的两个通道相互独立，可根据需要配置为并行或者串行使用，支持级联扩展。多个74LS153可通过地址使能逻辑组合，实现更大规模的多路选择；同时支持并联输出结构，增强驱动能力。

7. 封装多样化
   常见有DIP-16、SOIC-16两种封装，可满足插板式原型设计与SMT表面贴装生产两种不同制造需求，灵活性高。

应用领域与应用电路示例
由于74LS153具备高速度、低功耗、独立双通道等特点，在现代数字系统设计中有着广泛的应用：

• 数据通路选择与信号路由
  在CPU与外设数据总线之间，需要对多路并行数据进行切换分发，74LS153可作为总线切换器，根据地址信号选择不同外设的数据路径，提高灵活性并降低系统复杂度。

• 多路输入采集与信号复用
  在数据采集系统中，需要对多路输入（如传感器信号、开关状态）进行轮询采样，借助74LS153可以将多个模拟开关或数字信号复用到单一路径，减少AD转换器或处理器I/O口占用。

• 逻辑功能实现与简化
  在有限门电路资源的场景下，74LS153可直接替代多个门电路，实现简单的逻辑判决、译码与数据选择，降低器件数量，提高设计效率。

• 控制信号切换与状态机设计
  在有限的控制引脚资源下，通过多路复用器实现多状态控制信号的输出，有利于缩小PCB面积与接口数量。

• 可编程逻辑与测试平台
  在实验室教学与可编程逻辑设备中，74LS153常作为示教示例，帮助学生理解多路复用器原理。设计者也可利用其作为测试平台的一部分，对其他芯片的输入进行有序切换。

以下示例电路展示了74LS153在数据总线切换场景中的应用：

1. 双通道数据通路切换电路

• 电路组成：74LS153、地址寄存器、数据信号源（如RAM、ROM或外设）

• 工作原理：根据地址寄存器输出的两个选择信号，控制74LS153的1S1、1S0和2S1、2S0，在两路总线之间切换数据；使能端1G*或2G*可由系统总线控制逻辑进行开启或关闭，用于同步控制何时切换。

2. 多路传感器数据采集电路

• 电路组成：多路传感器信号源（如温度、压力、湿度传感器）、74LS153、单片机ADC输入

• 工作原理：单片机通过GPIO产生地址信号S1、S0和使能信号G*，控制74LS153在四个传感器信号之间切换，将所需传感器的信号送至ADC端口进行采样，实现多路数据采集。

• 注意事项：由于传感器输出多为模拟信号，需要在74LS153和ADC之间加上模拟开关或射极跟随器以保证模拟信号的完整性；同时，由于74LS153为数字TTL器件，直接驱动模拟信号可能导致失真。

3. 虚拟按键扫描电路

• 电路组成：矩阵键盘按键阵列、74LS153、单片机I/O口

• 工作原理：将矩阵键盘的行线连接至74LS153的C0~C3输入端，将74LS153输出端连接至单片机的输入口；单片机轮询地址选择信号，对键盘行进行扫描，实现多路虚拟按键检测，减少I/O口占用。

以上电路示例突出了74LS153在数据路由与多路复用方面的高效实用性。根据实际应用场景，还可在74LS153前后添加一至二级缓冲器、滤波电路或电平转换电路，以提高信号质量或适配不同电压标准。

与其他多路复用器芯片的比较
在市场上，多路复用器（Mux）器件种类繁多，既有TTL系列，也有CMOS系列。下面将74LS153与几种常见多路复用器芯片进行比较：

1. 74LS153 vs 74LS152

• 功能区别：74LS153为双4选1多路复用器，有两个独立通道；而74LS152为单8选1多路复用器，仅有一个通道但输入数更多（8路）。

• 速度与功耗：同样为TTL LS系列，二者在速度与功耗方面差异较小；但74LS152由于内部译码逻辑更复杂，传播延迟略微增加（约12ns ~ 18ns）。

• 应用场景：若设计需要在同一芯片上实现两个独立的4路切换，74LS153更为合适；若需要切换8路输入信号且仅需一个通道，则74LS152能节省器件数量。

2. 74LS153 vs 74HC153

• 工艺区别：74HC153属于HC（High-speed CMOS）系列，采用CMOS工艺；74LS153为TTL低功耗肖特基工艺。

• 电气特性：74HC153工作电压范围较宽（2V ~ 6V），静态功耗极低；74LS153工作电压仅限于5V ±5%，静态功耗相对较高。

• 速度比较：在相同电压（5V）下，74HC153的传播延迟典型值为10ns左右，与74LS153相当；但74HC153的输出驱动能力略弱。

• 抗干扰与兼容性：TTL系列对噪声具有更好的容忍度，易于与其他TTL器件级联；CMOS系列对静电敏感，需要额外的ESD保护。

• 选择依据：若系统电源为3.3V或需要低功耗方案，优先考虑74HC153；若系统主要为5V TTL/LS器件，且对抗干扰性能要求较高，可选择74LS153。

3. 74LS153 vs CD4051

• 功能区别：CD4051为CMOS模拟多路复用器，可对模拟信号进行切换；74LS153仅限于数字信号的多路切换。

• 信号类型：CD4051可传输–VCC至+VCC范围内的模拟信号（带有限制），适用于低频模拟切换；74LS153在切换模拟信号时会出现阈值失真，不建议用于高保真模拟信号。

• 速度与功耗：CD4051采用CMOS工艺，静态功耗极低，但开关速度较慢（典型约100ns）；74LS153速度更快，功耗相对更高。

• 应用对比：对于需要切换模拟信号（如音频、多路电压采样）的场合，选择CD4051；对于纯数字系统、高速逻辑切换，则选择74LS153。

4. 74LS153 vs 74LS157

• 功能区别：74LS157为四路2选1数据选择器，具有四组输入对，每组有两个输入和一个输出；而74LS153为双4选1数据选择器。

• 通道数量：74LS157每个通道只有两路可供选择，适合简单的2选1场合；74LS153每个通道拥有四路输入，适合更大规模的路数选择需求。

• 控制方式：74LS157通过单个地址选择信号控制四个通道同步切换，结构简单；74LS153使用两个地址线控制一个通道，同时具有独立的使能端。

• 应用区别：对多个通道进行相同条件下的2选1切换时可选用74LS157；若需要对单一通道做4选1切换并且需要独立使能控制，则选用74LS153。

通过上述比较，可以看出不同多路复用器器件在功能、工艺、静态功耗、速度、信号类型等方面各有侧重。设计者应根据系统电源电压、被切换信号类型（数字／模拟）、速度要求、功耗预算、抗干扰需求等综合因素，选择最适合的多路复用器芯片。

使用注意事项与设计要点
在实际电路设计与使用74LS153过程中，需要关注以下几个关键要点，以确保器件稳定、可靠地工作：

• 供电与接地
  确保VCC为稳压的5V直流电源，并与地（GND）形成良好的电源回路。推荐在VCC与GND之间并联0.01µF～0.1µF陶瓷旁路电容，以滤除高频噪声，保证内核逻辑稳定。若系统电源噪声较大，还可在近VCC脚处加入10µF左右电解电容做大体积旁路，进一步降低电源阻抗。地线应尽量短且宽，以减小地阻抗，避免地环路噪声对TTL逻辑造成干扰。

• 输入信号驱动
  74LS153为TTL输入，输入高电平（VIH）需≥2.0V，输入低电平（VIL）需≤0.8V。若上一级器件输出为CMOS电平（如微控制器GPIO），其高电平通常为3.3V或5V，直接驱动TTL输入一般可满足；若为1.8V或更低，则可能导致逻辑识别错误。若需将非TTL兼容信号驱动到74LS153输入，可加装电平转换器或由输出端先驱动一个TTL门电路。为防止输入端悬空引入噪声，应避免让数据输入、使能端或地址端悬置。在无信号时，可以通过下拉或上拉电阻将其拉到确定的逻辑电平。

• 地址信号与使能控制
  在进行多路切换时，地址信号S1、S0应满足切换时序要求。为了避免在切换瞬间输出抖动或竞态，通常可遵循以下建议：

1. 先将使能端G*置为高电平（禁用状态），待地址信号稳定后，再将G*拉低（有效），以此保证输出只在地址确定后传递有效信号。

2. 若系统对切换时间要求较高，可在地址切换前后加入短暂延时，确保不会在地址未稳定时立即输出。

3. 当不希望输出呈现高阻态时，可将G*与地址信号配合产生特定的逻辑关系，使输出在无需切换时始终有效。

• 输出驱动与负载匹配
  74LS153输出具备TTL推挽结构，可驱动多个TTL输入，但若直接驱动大电容负载（如长线、寄生电容较大的PCB走线），会导致输出上升／下降时间加长，影响信号完整性。为了避免此类问题，可在输出与负载之间加入巴伦缓冲器（如74LS244）或使用三态缓冲器进行隔离。此外，若驱动CMOS输入端，CMOS输入电流极小，但输入电容也较大，会导致TTL输出的上升／下降时间变慢，此时同样建议加缓冲或降低负载电容。

• 电平兼容与静电保护
  74LS153对静电较为敏感，在发生静电放电时，内部肖特基二极管及晶体管容易受到损坏。设计时应采取防护措施，如在电路板入口处加装静电放电（ESD）保护二极管、在电源输入端加滤波电容、在器件引脚处加过流保护等。若连接外部设备（如传感器、继电器等），应在信号线上加入限流电阻、TVS/TVP二极管以保护TTL输入。

• 温度与工作环境
  器件规格所示的工作温度范围为0℃70℃（商用级）或–40℃+85℃（工业级）。在高温环境下，静态电流会增加，同时传播延迟也会略有上升。为保证器件长期稳定工作，当系统工作环境温度超过60℃时，应考虑适当降额使用，或采用散热措施，如在封装周围留足空间，避免周围元器件过于密集。此外，应注意器件引脚与周围铜箔之间的绝缘，防止焊锡桥或其他杂质导致短路。

• 电源上电与掉电时序
  在TTL系统中，上电瞬间若地址信号或使能信号处于不确定状态，可能导致74LS153输出未知电平。为避免此类问题，可设计电源管理电路，使芯片在VCC达到稳定值后才开始进行地址切换；或在上电阶段通过复位电路（如RC延时或专用复位芯片）先将G*拉高，待VCC稳定后再拉低。掉电时亦应注意，当VCC低于输入信号时，若输入端仍有高电平信号，会导致芯片内部流入反向电流，甚至损坏器件。因此，当系统掉电时，要先将输入信号置低或在输入端串联二极管等保护元件。

设计示例与实验指导
以下通过一个简单的实验设计示例，帮助读者更直观地理解74LS153的应用方法与调试技巧。

1. 实验目的

• 掌握74LS153的功能与使用方法

• 熟悉多路复用器的工作原理、地址选通过程及输出响应

• 了解TTL电路布局、输入输出接口设计与测试要点

2. 实验器材

• 74LS153芯片一片（DIP-16或SOIC-16封装）

• 5V直流稳压电源（一台）

• 面包板、若干杜邦线

• 指示灯或LED若干（需串联1kΩ限流电阻）

• 按键开关（4路，用于模拟输入C0~C3）

• 二路拨码开关或两路按钮（用于模拟地址S1、S0）

• 万用表、示波器各一

• 若干限流电阻、去耦电容（0.1µF陶瓷）

3. 电路连接

• 将74LS153的第16引脚接至+5V电源，第8引脚接地。

• 在VCC与GND之间并联0.1µF陶瓷电容用于电源去耦，靠近芯片引脚位置焊接。

• 将1C0、1C1、1C2、1C3分别连接到四个LED（带串联限流电阻）或者按键开关，通过按键或LED亮灭来模拟不同输入信号；若使用按键开关，按键按下时输入高电平（5V），未按下时通过上拉电阻保持高电平，或通过下拉电阻保持低电平。

• 将地址信号S1、S0与拨码开关连接，通过拨码开关控制输入逻辑电平；同时，通过指示灯观察地址状态。

• 将使能端1G*与一个按钮或拨码开关连接，高电平禁用，低电平使能；可通过LED指示使能状态。

• 将1Y输出端连接至LED或示波器输入，通过LED亮灭或示波器波形观察输出信号状态。

• 第二个多路复用器（引脚9~15）可暂不连接，留作后续扩展或对比实验。

4. 实验步骤

• 上电前检查：确认电源极性、连接线无短路，并在VS/GND之间已并联去耦电容。

• 上电测试：上电后，拨动使能开关至禁用状态（1G* = 高），此时无论地址信号如何变化，输出Y应保持灭灯或高阻（示波器上应无明显信号）。

• 地址切换测试：将使能开关拉低（1G* = 低，使能），拨动地址开关S1、S0组合至各个状态（00、01、10、11），观察对应LED输入C0~C3中哪一路亮灯则输出Y亮灯，或示波器上显示该输入信号电平。记录实验数据，以验证真值表。

• 竞态与切换延迟测试：持续改变地址开关S1、S0，同时用示波器测量地址到输出的传播延迟；对比不同地址切换组合、不同负载条件下的延迟差异。

• 禁用恢复测试：在任意地址组合下，将使能拉高，再将使能拉低，看输出从禁用状态恢复到选中输入的延迟及过渡过程。

5. 实验心得与问题排查

• 若输出始终无响应，需检查使能端G*是否正确拉低；若使用按钮，需排查上拉／下拉电阻数值是否合适。

• 若地址切换时输出抖动严重，可在地址切换前先拉高使能端，然后切换地址，最后再拉低使能，避免竞态。

• 若输出电压无法满足TTL高电平要求，可检查负载是否过大，并在输出与负载之间加缓冲器。

• 若使用LED指示，需确保LED串联限流电阻阻值合适，防止输出端短路或加载过重。

• 若测得传播延迟显著偏大，可检查测试线路中是否有大电容负载，示波器探头接地是否正确。

通过以上实验，学生或工程师可以全面了解74LS153的功能特性、接口设计以及使用要点，为后续在实际项目中的应用奠定坚实基础。

总结与展望
作为一款经典的双4选1多路复用器器件，74LS153凭借低功耗肖特基工艺、高速响应、双通道独立、扇入扇出能力强等优点，在各类数字逻辑电路中占有重要地位。本文从74LS系列背景、器件概述、引脚功能、内部结构、逻辑真值、关键电气参数、性能优势、应用场景、与其他多路复用器比较、使用注意事项、设计实验示例等方面进行了系统、详细的介绍，旨在帮助读者全面掌握74LS153的基础知识与设计要点。

随着数字系统设计的不断升级，对多路复用、信号路由、总线控制等功能的需求越来越高。尽管如今更多的设计开始采用FPGA、可编程逻辑器件或高集成度的多功能SoC，但对于简单、中小规模的数字电路，74LS153依然具有无可替代的经济性与便利性。未来在高速、低功耗、智能化背景下，多路复用器也朝着更高集成度、更低功耗、更宽电源电压范畴发展，例如HC系列、HCT系列、AC/ACT系列等衍生器件不断涌现。但理解并掌握74LS153这样的经典器件，对于学习数字电路基础、培养良好的设计思维具有重要意义。希望通过本文的学习，读者树立对数字多路复选器原理与应用的全面认知，为后续更高级复杂系统设计打下坚实基础。