74LS04 引脚图及功能详解

74LS04 是一款非常经典且应用广泛的六反相器集成电路，属于 TTL（晶体管-晶体管逻辑）家族的 LS（低功耗肖特基）系列。它在数字电路设计中扮演着基础而关键的角色，其主要功能是将输入的逻辑信号进行反相。本篇将详细介绍 74LS04 的引脚配置、内部结构、电气特性、工作原理以及典型应用，帮助读者全面理解这款基础逻辑器件。

一、74LS04 概述

74LS04 是一个包含六个独立的非门（反相器）的集成电路。每个非门都有一个输入和一个输出。当输入为逻辑高电平（HIGH）时，输出为逻辑低电平（LOW）；当输入为逻辑低电平（LOW）时，输出为逻辑高电平（HIGH）。这种简单的反相功能是构建更复杂数字逻辑电路的基石，广泛应用于信号反相、电平转换、振荡器、施密特触发器以及数据选择器等多种场景。

“LS”前缀表示该芯片采用了低功耗肖特基（Low-Power Schottky）技术。与早期的标准 TTL 芯片相比，LS 系列在保持较高速度的同时显著降低了功耗，这使得它在电池供电和低功耗应用中具有优势。其卓越的稳定性和可靠性也使其成为电子工程师和爱好者的首选器件之一。

二、74LS04 引脚图与引脚功能

理解 74LS04 的引脚图是正确使用它的前提。74LS04 通常采用 14 引脚双列直插式封装（DIP-14）。以下是其详细的引脚排列及功能说明：

从引脚图中可以看出，74LS04 内部包含六个独立的非门。每个非门都有一个输入（nA，其中 n 为非门编号 1-6）和一个对应的输出（nY）。引脚 7 是接地引脚（GND），必须连接到电路的公共地。引脚 14 是电源引脚（VCC），通常连接到 +5V 直流电源。正确的电源连接是芯片正常工作的基本保障，电源电压的波动或不稳定性可能会导致芯片工作异常甚至损坏。

三、74LS04 内部结构与工作原理

74LS04 的每个非门都是由晶体管、电阻和二极管组成的复杂电路，旨在实现可靠的逻辑反相功能。尽管我们通常将其视为一个简单的“黑盒”执行反相操作，但了解其内部结构有助于深入理解其电气特性和限制。

1. 典型 TTL 反相器结构

一个典型的 TTL 反相器通常由以下几个部分组成：

• 输入级： 通常是一个多发射极晶体管，用于接收输入信号。当输入为低电平时，发射极基极结导通，拉低基极电位；当输入为高电平时，发射极基极结反偏。

• 中间级（相移级）： 负责电平转换和放大，确保输入级的信号能够有效驱动输出级。

• 输出级（推拉式输出）： 也称为图腾柱输出，由两个晶体管组成，一个上拉晶体管和一个下拉晶体管。当输出为高电平时，上拉晶体管导通，下拉晶体管截止；当输出为低电平时，上拉晶体管截止，下拉晶体管导通。这种推拉式结构提供了高电流驱动能力，并确保了快速的开关速度，同时降低了功耗。

2. 74LS04 的工作原理

以其中一个非门为例，假设其输入为 A，输出为 Y：

• 当输入 A 为逻辑低电平（LOW）时：

• 输入晶体管的基极-发射极结（对应 A 端）导通。

• 流过输入晶体管的电流将驱动中间级晶体管截止。

• 中间级晶体管的截止导致输出级的上拉晶体管导通，下拉晶体管截止。

• 因此，输出 Y 被拉高至逻辑高电平（HIGH）。

• 当输入 A 为逻辑高电平（HIGH）时：

• 输入晶体管的基极-发射极结反偏，输入电流从基极流入。

• 输入晶体管导通，使得中间级晶体管导通。

• 中间级晶体管的导通导致输出级的上拉晶体管截止，下拉晶体管导通。

• 因此，输出 Y 被拉低至逻辑低电平（LOW）。

这种设计确保了输入和输出之间严格的反相关系，并且由于采用了肖特基二极管箝位晶体管，可以有效防止晶体管饱和，从而提高了开关速度并降低了开关损耗。

四、74LS04 逻辑功能与真值表

非门的功能是所有逻辑门中最简单明了的。它只有一个输入和一个输出。其核心功能是实现逻辑非（NOT）操作。

1. 逻辑符号

非门的逻辑符号通常是一个三角形，其尖端带有一个小圆圈（反相圆圈）。

• 输入： A

• 输出： Y

2. 真值表

真值表清晰地展示了输入与输出之间的关系：

在数字逻辑中，“0”通常代表低电平（LOW），而“1”代表高电平（HIGH）。从真值表中可以直观地看到，当输入是低电平时，输出是高电平；当输入是高电平时，输出是低电平。这就是非门的基本且唯一的逻辑功能。

五、74LS04 主要电气特性

了解 74LS04 的电气特性对于正确设计和使用电路至关重要。这些参数决定了芯片的供电要求、输入输出电平、驱动能力以及速度等。

1. 供电电压（VCC）

• 推荐工作电压： 4.75V 到 5.25V

• 典型工作电压： 5V

74LS04 芯片对电源电压有一定要求。过高或过低的电压都可能导致芯片工作不正常或损坏。通常推荐使用稳压的 +5V 直流电源。

2. 输入电压与电流

• 高电平输入电压（VIH）： 最小 2.0V

• 输入电压高于此值时，芯片识别为逻辑高电平。

• 低电平输入电压（VIL）： 最大 0.8V

• 输入电压低于此值时，芯片识别为逻辑低电平。

• 高电平输入电流（IIH）： 最大 20μA

• 当输入为高电平时的漏电流。

• 低电平输入电流（IIL）： 最大 −0.4mA

• 当输入为低电平时的灌电流。这是一个负值，表示电流从引脚流出。

这些参数定义了 74LS04 对输入信号的识别阈值以及输入端的负载特性。

3. 输出电压与电流

• 高电平输出电压（VOH）： 最小 2.7V (带载时)

• 当输出为高电平时的最小电压值。

• 低电平输出电压（VOL）： 最大 0.5V (带载时)

• 当输出为低电平时的最大电压值。

• 高电平输出电流（IOH）： 最大 −0.4mA

• 当输出为高电平时的源电流能力，表示芯片可以向外提供的最大电流。

• 低电平输出电流（IOL）： 最大 8mA

• 当输出为低电平时的灌电流能力，表示芯片可以吸收的最大电流。

灌电流能力通常大于源电流能力，这是 TTL 系列芯片的典型特点，意味着 TTL 芯片在输出低电平时能驱动更多的相同系列的输入端。

4. 传播延迟时间（Propagation Delay Time）

• tPLH（低到高传播延迟）： 典型 9ns，最大 15ns

• 从输入信号的 50% 处到输出信号的 50% 处，输出从低电平变为高电平所需的时间。

• tPHL（高到低传播延迟）： 典型 8ns，最大 15ns

• 从输入信号的 50% 处到输出信号的 50% 处，输出从高电平变为低电平所需的时间。

传播延迟是衡量逻辑门速度的关键参数。74LS04 的典型传播延迟在纳秒级别，表明它是一款速度较快的逻辑门，适用于大多数中低速数字电路。

5. 功耗

• 静态功耗（ICC）： 典型 2.4mA (所有输出为低电平)

• 芯片在没有开关活动时的电流消耗。

• 动态功耗： 随工作频率的增加而增加。

74LS04 属于低功耗肖特基系列，其功耗相对于标准 TTL 芯片有所降低，这在设计对功耗敏感的电路时是一个重要优势。

六、74LS04 典型应用电路

74LS04 作为基础的非门芯片，其应用非常广泛和灵活。以下是一些典型的应用场景：

1. 信号反相

这是 74LS04 最直接也是最常用的功能。在许多数字电路中，我们需要将信号进行反相以满足逻辑条件。

• 示例： 将一个时钟信号（CLK）反相得到其反相时钟信号（CLK）。

2. 电平转换

虽然 74LS04 本身是 TTL 电平器件，但其输入输出特性使其在一定程度上可以用于简单的电平兼容性调整，例如在 TTL 和某些 CMOS 逻辑电平之间进行接口。但是，对于严格的电平转换，通常会使用专用的电平转换芯片。

3. 振荡器（多谐振荡器）

通过将奇数个反相器串联并构成一个反馈回路，可以构建一个环形振荡器。这是产生方波信号的一种简单方法。

• 原理： 当三个非门（或任何奇数个非门）串联时，第一个非门的输出经过两次反相后回到它的输入，形成正反馈。由于每个非门都有传播延迟，这个反馈回路会使得输出在高低电平之间不断翻转，从而产生周期性的方波。

• 频率计算： 振荡频率取决于每个非门的传播延迟以及外部元件（如电阻和电容，如果用于 RC 振荡器）的值。对于纯环形振荡器，频率大约为 f=1/(2×N×tPD)，其中 N 是非门数量，tPD 是单个非门的传播延迟。

• 电路示例：

• 将三个 74LS04 的非门串联：1Y 接 2A，2Y 接 3A，3Y 接 1A。这样就形成了一个简单的环形振荡器。为了稳定频率和提供启动，通常会加入一些外部元件如电阻和电容。

4. 施密特触发器（配合外部元件）

虽然 74LS04 本身不是施密特触发器，但可以通过将其与其他元件（如电阻）结合，实现带有滞回特性的施密特触发器功能。这对于处理有噪声的信号非常有用，可以防止信号在阈值附近抖动引起的多次翻转。

• 基本思路： 通过正反馈引入滞回，使得芯片的输入阈值在高电平输入和低电平输入时有所不同，从而提高抗噪声能力。

5. 脉冲整形与延时

通过串联多个非门，可以实现信号的整形和延时。

• 脉冲整形： 对于一些有边沿抖动或波形不佳的数字信号，通过非门可以使其输出波形变得更陡峭，实现整形。

• 延时： 每个非门都有固定的传播延迟。通过串联多个非门，可以累加这些延迟，从而实现微小的信号延时。这在需要精确时序控制的电路中可能会用到。

6. 逻辑组合电路

尽管 74LS04 只是非门，但它可以与其他逻辑门（如与门、或门、异或门等）结合，实现更复杂的逻辑功能。事实上，任何布尔逻辑表达式理论上都可以只用非门（或者只用与非门、或非门）来实现。

• 示例：

• 与门（AND）的实现： 将两个输入信号分别通过一个非门，然后将两个非门的输出输入到一个与非门（NAND）中，最后将与非门的输出再通过一个非门，即可实现与门功能。

• 或门（OR）的实现： 将两个输入信号分别通过一个非门，然后将两个非门的输出输入到一个或非门（NOR）中，最后将或非门的输出再通过一个非门，即可实现或门功能。

七、使用 74LS04 的注意事项

在使用 74LS04 或其他 TTL 逻辑芯片时，需要注意以下几点以确保其正常、稳定工作：

1. 电源去耦

在 VCC 和 GND 引脚之间并联一个 0.1μF 到 0.01μF 的陶瓷电容。这个去耦电容可以有效地滤除电源上的高频噪声，并在芯片开关瞬间提供瞬时电流，防止电源电压跌落，从而提高电路的稳定性。对于一个包含多个 74LS04 芯片的电路板，通常建议每隔几个芯片放置一个去耦电容。

2. 未使用的输入引脚处理

TTL 芯片的未使用的输入引脚不能悬空。悬空引脚会像天线一样拾取环境中的噪声，导致输入电平不稳定，从而引起芯片误动作。正确的处理方式有两种：

• 连接到 VCC： 对于非门，将未使用的输入引脚直接连接到 VCC（通过一个 1kΩ 到 10kΩ 的上拉电阻）。

• 连接到其他已使用的输入： 如果一个非门未被使用，可以将其输入连接到另一个已使用的非门的输出，或者将其输入连接到地。

3. 输出驱动能力

74LS04 的输出有其电流驱动限制。在连接到其他芯片或负载时，应确保负载的总输入电流不超过 74LS04 的最大输出电流（IOH 和 IOL）。超载可能导致输出电压达不到标准逻辑电平，甚至损坏芯片。

4. 输入电流限制

虽然输入电流很小，但也要注意不要将输入电压超过芯片的绝对最大额定值，否则可能损坏输入级。

5. 避免闩锁效应（Latch-up）

在某些情况下，当输入电压超过 VCC 或低于 GND 时，可能会触发 TTL 芯片的闩锁效应，导致芯片永久损坏。因此，在设计电路时，应确保输入信号的电压范围在允许的范围内。

6. ESD 防护

所有半导体器件都对静电放电（ESD）敏感。在操作 74LS04 芯片时，应采取适当的 ESD 防护措施，例如佩戴防静电腕带，在防静电工作台上操作。

7. 温度影响

工作温度会影响芯片的电气特性和可靠性。应确保芯片在数据手册规定的工作温度范围内运行。过高的温度可能导致芯片性能下降，甚至损坏。

八、74LS04 与其他 TTL/CMOS 逻辑系列的比较

数字集成电路除了 74LS04 所属的 74LS 系列外，还有许多其他系列，如 74HC、74HCT、74F、74ALS 等。了解它们之间的区别有助于选择合适的芯片。

1. 74LS 系列（低功耗肖特基 TTL）

• 优点： 速度较快，功耗相对标准 TTL 较低，驱动能力适中，抗噪声能力较好。兼容标准 TTL 电平。

• 缺点： 功耗仍高于 CMOS 系列，输入阻抗相对较低。

2. 74HC 系列（高速 CMOS）

• 优点： 功耗非常低（尤其是在静态时），输入阻抗极高（输入电流极小），工作电压范围宽（通常 2V 到 6V），抗噪声能力强。

• 缺点： 速度通常比 LS 系列慢（尽管高速 CMOS 系列已大大改善），在较高频率下动态功耗会增加。

• 兼容性： 输入输出电平是 CMOS 电平，与 TTL 电平不完全兼容。

3. 74HCT 系列（高速 CMOS TTL 兼容）

• 优点： 具有 CMOS 芯片的低功耗和高输入阻抗优点，同时其输入引脚兼容 TTL 电平。这使得它非常适合作为 TTL 和 CMOS 芯片之间的接口。

• 缺点： 性能与 74HC 类似，但在输入电平兼容性上更胜一筹。

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

• 优点： 速度比 74LS 更快。

• 缺点： 功耗通常高于 74LS。

在选择逻辑芯片时，应根据项目的具体要求（如速度、功耗、工作电压、驱动能力、环境温度以及与其他芯片的兼容性）来决定使用哪个系列。对于大多数入门级和中速数字电路，74LS04 依然是一个非常好的选择，因为它兼顾了速度、功耗和成本。

九、总结

74LS04 作为数字逻辑电路中的基础元件，其六个独立的非门为各种逻辑设计提供了灵活而可靠的反相功能。从其简单的引脚配置、明确的真值表，到内部推拉式输出结构带来的良好驱动能力和传播延迟，无不体现了其在数字电子领域的实用价值。

无论是在构建简单的信号反相器、时钟振荡器，还是作为复杂逻辑电路中的基本构件，74LS04 都发挥着不可替代的作用。理解其电气特性和正确的使用方法（如电源去耦、未用引脚处理、负载匹配等）是确保电路稳定可靠运行的关键。

尽管现代数字电路设计中，FPGA、微控制器等可编程逻辑器件日益普及，但像 74LS04 这样的通用逻辑门芯片仍然在许多场合中扮演着重要角色，尤其是在教学、小型项目、以及需要特定固定逻辑功能的场合。掌握 74LS04 的原理与应用，是学习和实践数字电子技术不可或缺的一部分。