74HC273 八路D型触发器：引脚图、功能及应用详解

74HC273 是一款高性能、高速CMOS 八路D型触发器（Octal D-Type Flip-Flop），它集成了八个独立的正边沿触发D型触发器，具有清除（Clear）功能。这款集成电路在数字系统中扮演着至关重要的角色，常用于数据存储、移位寄存器、数据锁存器、计数器以及各种时序逻辑应用中。凭借其低功耗和高速特性，74HC273 在微处理器接口、数据通信、工业控制和消费电子产品等领域得到了广泛应用。

1. 74HC273 概述与特性

74HC273 属于74HC（High-speed CMOS）逻辑系列，这一系列芯片旨在提供与LS-TTL（Low-Power Schottky TTL）兼容的输入/输出电平，同时具备CMOS技术的低功耗优势。74HC273 的内部结构由八个D型触发器组成，这些触发器共享一个时钟（Clock）输入和一个异步清除（Asynchronous Clear）输入。每个触发器都有独立的D输入端（数据输入）和Q输出端（数据输出）。

主要特性：

• 八路D型触发器： 能够同时存储8位数据，非常适合并行数据处理。

• 正边沿触发： 数据在时钟脉冲的上升沿被锁存到触发器中。这意味着在时钟信号从低电平变为高电平的瞬间，D输入端的数据被捕获并传输到Q输出端。

• 异步清除功能（overlinetextCLR）： 当清除输入端（overlinetextCLR）为低电平（L）时，所有的Q输出端都会被强制置为低电平，而与时钟和数据输入无关。这个功能提供了一种快速复位芯片状态的方法。

• 宽工作电压范围： 通常支持2V至6V的电源电压，使其能够适应多种系统供电环境。

• 低功耗： CMOS技术的 inherent 优势，尤其在静态工作时功耗极低。

• 高噪声抗扰度： CMOS输入特性使其对噪声具有较好的抵抗力。

• TTL兼容输入： 尽管是CMOS器件，但其输入电平通常与TTL逻辑家族兼容，便于混合系统设计。

• 高速性能： 具有较短的传播延迟时间，适用于中高速数字系统。

2. 74HC273 引脚图及引脚功能

74HC273 通常采用16引脚双列直插式封装（DIP-16）或表面贴装封装（SOP/SOIC-16）。理解其引脚排列对于正确使用芯片至关重要。

2.1. 16引脚封装引脚图

      VCC -----[16]
      GND -----[08]

      Q0 <-----[03]
      Q1 <-----[02]
      Q2 <-----[04]
      Q3 <-----[07]
      Q4 <-----[09]
      Q5 <-----[10]
      Q6 <-----[13]
      Q7 <-----[14]

      D0 ----->[04] (此为典型示意，实际引脚图将纠正)
      D1 ----->[03]
      D2 ----->[07]
      D3 ----->[06]
      D4 ----->[11]
      D5 ----->[12]
      D6 ----->[15]
      D7 ----->[17] (此为典型示意，实际引脚图将纠正)

      CLK -----[11] (时钟输入)
      CLR -----[01] (异步清除输入)

请注意： 上述引脚图的数字编号仅为示意，实际引脚分配会严格按照数据手册。以下是基于标准数据手册的正确引脚分配，这也是设计时需要严格遵循的：

                 +---/---+
        CLR [1]--|        |--[16] VCC
        D0  [2]--|        |--[15] D7
        Q0  [3]--|        |--[14] Q7
        D1  [4]--|  74HC273 |--[13] Q6
        Q1  [5]--|        |--[12] D6
        D2  [6]--|        |--[11] D5
        Q2  [7]--|        |--[10] Q5
        GND [8]--|        |--[9]  Q4
                 +--------+

更正后的引脚分布：

                 +---/---+
        $overline{	ext{CLR}}$ [1]--|        |--[16] VCC
        D0  [2]--|        |--[15] D7
        Q0  [3]--|        |--[14] Q7
        D1  [4]--|        |--[13] Q6
        Q1  [5]--| 74HC273 |--[12] D6
        D2  [6]--|        |--[11] D5
        Q2  [7]--|        |--[10] Q5
        GND [8]--|        |--[9] Q4
                 +--------+

特别重要的一点： 在上述引脚图中，时钟输入 CLK 的位置没有标出。这是因为标准的 74HC273 引脚图通常会把 CLK 放在一个独立且突出的位置，或者在数据手册中明确标示。实际上，时钟输入 CLK 位于引脚 11。同时，输入D3和输出Q3在上述标准引脚图中也未列出。以下是完整且标准的引脚图及功能描述，这是进行电路设计时的权威参考：

          +---U---+
      $overline{	ext{CLR}}$ |1      16| VCC
        D0 |2      15| D7
        Q0 |3      14| Q7
        D1 |4      13| Q6
        Q1 |5      12| D6
        D2 |6      11| D5
        Q2 |7      10| Q5
       GND |8       9| CLK
          +-------+

再次更正： 之前几次对引脚图的绘制都有误。最标准的74HC273引脚图通常将CLK置于中央偏下的位置，或在设计图中标注。

最可靠的引脚分配是查阅具体制造商的数据手册。然而，以下是业界通用的、最常见的74HC273引脚功能分配：

2.2. 引脚功能表

重要提示： 请注意，D型输入和Q型输出在引脚排列上不一定是连续的或严格配对的，设计时务必参照上表和具体芯片的数据手册。例如，D0是引脚2，Q0是引脚3，但D1是引脚4，Q1是引脚5。而CLK在引脚9，$overline{ ext{CLR}}$在引脚1。

3. 74HC273 功能表（真值表）

74HC273 的行为由其输入（overlinetextCLR、CLK、Dn）和输出（Qn）之间的关系决定。由于其是正边沿触发的D型触发器，并且具有异步清除功能，其功能表如下：

符号说明：

• H： 高电平

• L： 低电平

• X： 任意状态（高或低电平，或不确定）

• uparrow： 时钟从低到高的正边沿跳变

• downarrow： 时钟从高到低的负边沿跳变

• Qn0： 表示Qn保持其前一状态（即在CLK正边沿触发之前的值）。

这个功能表清晰地展示了74HC273在不同输入条件下的行为。异步清除功能是最高优先级的，其次是时钟的上升沿触发。在没有时钟上升沿或者清除功能无效时，芯片的输出状态保持不变。

4. 74HC273 内部逻辑结构与工作原理

理解74HC273的内部工作原理有助于更好地应用它。它由八个独立的D型触发器构成，每个触发器的基本原理都相同。

4.1. D型触发器基本原理

D型触发器是最常见的时序逻辑单元之一，它有一个数据输入D、一个时钟输入CLK和一个输出Q（有时还有$overline{ ext{Q}}$）。

• 锁存功能： D型触发器的核心功能是在时钟脉冲的特定边沿（74HC273是上升沿）到来时，将D输入端的数据“捕获”并“锁存”到内部存储单元中。一旦数据被锁存，即使D输入端的数据发生变化，Q输出端也会保持这个被锁存的值，直到下一个有效的时钟边沿到来。

• 上升沿触发： “上升沿触发”意味着触发器只在时钟信号从低电平跳变到高电平的瞬间对D输入进行采样。在时钟信号处于高电平、低电平或下降沿时，D输入的变化不会影响Q输出。这使得数据更新与时钟信号严格同步。

4.2. 74HC273 内部结构

74HC273 内部可以看作是由八个并联的D型触发器组成，并共享一个时钟线和一个异步清除线。

• 输入缓冲器： CLK、$overline{ ext{CLR}}$和所有的D输入都经过输入缓冲器，以提供更好的噪声抗扰度和驱动能力，并确保CMOS兼容的输入电平转换为内部逻辑电平。

• 时钟分配网络： CLK输入信号被分配到所有的八个D型触发器中，确保它们同步工作。

• 清除逻辑： 异步清除信号 overlinetextCLR 独立于时钟，直接作用于每个D型触发器的复位端。当 overlinetextCLR 为低电平时，它会强制所有D型触发器的内部状态（和Q输出）立即变为低电平。这是通过在每个触发器内部添加一个与门或或门来实现的，这个门将清除信号与触发器的复位逻辑连接起来。

• 八个D型触发器： 每个D型触发器内部通常由多级门电路（例如，两个锁存器组成的主从结构）实现，以确保在时钟边沿处的正确采样和保持。

• 输出缓冲器： 每个Q输出都经过一个输出缓冲器，以提供足够的电流驱动能力，使其能够驱动后续的逻辑门或负载。

工作时序：

1. 复位状态： 如果 overlinetextCLR 变为低电平，无论CLk和Dn如何，所有的Qn都会立即变为低电平。当 overlinetextCLR 再次变为高电平后，芯片恢复正常工作模式。

2. 数据采样： 在 overlinetextCLR 保持高电平的情况下，当CLK信号从低电平跳变到高电平的瞬间（上升沿），每个D型触发器都会检查其对应的Dn输入端的电平。

3. 数据传输与保持： 在CLK上升沿到来时，Dn上的逻辑状态被捕获并传输到Qn输出端。Qn会保持这个状态，直到下一个CLK的上升沿到来，或者 overlinetextCLR 变为低电平。

4. 建立时间 (t_su)、保持时间 (t_h)、传播延迟 (t_PD)：

• 建立时间 (t_su): 在时钟上升沿到来之前，数据输入D必须保持稳定的最短时间。如果D在建立时间内发生变化，则触发器可能无法正确锁存数据。

• 保持时间 (t_h): 在时钟上升沿之后，数据输入D必须保持稳定的最短时间。如果D在保持时间内发生变化，也可能导致数据锁存错误。

• 传播延迟 (t_PD): 从时钟上升沿到来（或 overlinetextCLR 变化）到Q输出稳定变化的所需时间。这是衡量芯片速度的重要参数。

这些时序参数对于高速数字电路设计至关重要，设计者必须确保输入信号满足这些时间要求，以保证系统的可靠性。

5. 74HC273 典型应用

74HC273 作为八路同步锁存器，在各种数字系统中都有广泛的应用。

5.1. 并行数据锁存器 / 数据寄存器

这是74HC273最基本和最常见的应用。在许多数字系统中，数据总线上的数据可能只在特定时刻有效。74HC273可以用来在时钟的控制下，将瞬时数据捕获并保持在一个稳定的状态，供后续电路使用。

应用场景：

• 微处理器数据总线接口： 微处理器通常以高速脉冲形式将数据发送到外设。74HC273可以作为八位并行数据锁存器，在CPU发出写信号的时钟上升沿，捕获数据总线上的数据，并将其稳定地提供给外设。

• 数据同步： 当需要将异步数据（在不同时钟域产生）同步到本地时钟域时，74HC273可以作为一个同步器。

5.2. 计数器

通过将74HC273的输出反馈到其输入，并结合适当的逻辑门，可以构建各种类型的计数器，例如环形计数器（Ring Counter）或约翰逊计数器（Johnson Counter）。

环形计数器示例： 将Q7的输出连接到D0的输入，并将其余的Qn连接到Dn+1，然后在 overlinetextCLR 变为高电平后，通过D0预设一个高电平，使其在每个时钟脉冲下高电平位循环移动。

5.3. 移位寄存器

74HC273 可以通过级联和适当的连接来构建移位寄存器。例如，将Qn输出连接到Dn+1输入，这样在每个时钟脉冲下，数据会从一个触发器移动到下一个。

应用场景：

• 串行到并行转换： 通过将串行数据一位一位地输入到第一个D触发器（D0），并在每个时钟脉冲下移位，直到8位数据完全移入。此时，Q0-Q7输出提供了并行数据。

• 并行到串行转换： 首先将并行数据加载到所有D输入端，然后通过每个时钟脉冲将数据从Qn输出移位到Dn+1输入，并从Q7或Q0输出串行数据。

5.4. 分频器

虽然D触发器本身是构成分频器的基本单元（例如，T触发器是D触发器加反相反馈），但通过适当的外部逻辑，74HC273 也可以用于构建多级分频器。

5.5. 状态机和时序逻辑

在复杂的数字系统中，状态机用于控制系统行为。74HC273可以作为状态寄存器，存储当前状态信息。在每个时钟周期，根据输入和当前状态，通过组合逻辑生成下一个状态，并加载到74HC273中，从而驱动系统进入新状态。

5.6. 数据缓存与缓冲

74HC273可以作为一个临时的8位数据缓存，用于调整不同模块之间的数据流速度或时序。当一个模块产生数据的速度快于另一个模块处理数据的速度时，或者两者之间存在时序错位时，74HC273可以起到缓冲作用。

6. 74HC273 的电源与接地注意事项

正确连接电源和地对于任何数字集成电路的稳定工作都至关重要。

• VCC (引脚16)： 接正电源。对于74HC系列，通常为+5V，但也可在2V至6V之间。确保电源电压在芯片规格范围内，并且电源稳定、纹波小。

• GND (引脚8)： 接地。所有数字电路的共同参考点。

• 去耦电容： 在VCC和GND引脚之间，应放置一个0.1$muF到0.01mu$F的陶瓷去耦电容。这个电容应尽可能靠近芯片的电源引脚放置。它的作用是滤除电源线上的高频噪声，并提供瞬时电流，以应对芯片内部逻辑状态切换时产生的电流尖峰，从而防止电源波动对芯片的正常工作产生干扰。对于高速或功耗较高的应用，可能需要多个去耦电容或更大容量的电解电容。

7. 74HC273 的驱动能力与扇出

• 输出电流： 74HC273的Q输出引脚具有一定的电流驱动能力。在设计时，需要确保Q输出连接的负载的总输入电流不超过芯片数据手册中规定的最大输出电流（$I\_{OH}$和$I\_{OL}$）。如果需要驱动大电流负载（例如LED阵列），通常需要额外的驱动芯片或晶体管进行电流放大。

• 扇出（Fan-out）： 扇出指的是一个输出引脚能够可靠驱动的相同逻辑系列输入引脚的数量。对于CMOS器件，输入阻抗非常高，因此其扇出能力通常远高于TTL器件。然而，过多的负载会增加传播延迟，降低信号质量，并增加功耗。在设计时，应参考数据手册中的推荐扇出值。

8. 74HC273 的时序参数

在设计高速数字电路时，了解并满足74HC273的时序参数至关重要。

• 建立时间 (t_su): 指在CLK上升沿到来之前，D输入信号必须保持稳定的最短时间。如果D在建立时间内发生变化，锁存的数据可能不正确。

• 保持时间 (t_h): 指在CLK上升沿之后，D输入信号必须保持稳定的最短时间。通常对于74HC系列，保持时间非常短，甚至可能是负值（意味着数据可以在CLK上升沿之后立即改变，但通常为了安全起见，仍应保持一段时间）。

• 传播延迟 (t_PD):

• CLK到Q的传播延迟 (t_PLH/t_PHL): 从CLK的上升沿到来，到Q输出达到高/低电平的稳定值所需的时间。

• $overline{ ext{CLR}}$到Q的传播延迟 (t_PZL/t_PHL): 从 overlinetextCLR 变为低电平，到Q输出达到低电平的稳定值所需的时间。

• 最小脉冲宽度： 指时钟脉冲（高电平或低电平）必须持续的最小时间，以确保芯片正常工作。同样，清除脉冲也需要满足最小宽度要求。

• 最大时钟频率 (f_max): 芯片能够正常工作的最高时钟频率。超过这个频率，芯片可能无法正确锁存数据或输出不稳定。

这些参数值会因电源电压（VCC）和工作温度的不同而有所变化，具体数值应查阅特定制造商的74HC273数据手册。在进行时序分析和设计时，务必考虑最坏情况下的参数值。

9. 与其他D型触发器的比较（74LS273, 74HCT273等）

虽然本文主要关注74HC273，但了解其在不同逻辑系列中的同类产品有助于选择合适的芯片。

• 74LS273 (Low-Power Schottky TTL):

• 技术： 双极型晶体管（TTL）。

• 优点： 历史悠久，应用广泛，相对便宜。

• 缺点： 功耗相对较高，输入阻抗低（需要较高的驱动电流），噪声容限相对较差。

• 兼容性： TTL电平输入/输出。

• 74HC273 (High-speed CMOS):

• 技术： CMOS。

• 优点： 低功耗，高噪声抗扰度，宽电源电压范围，高速。

• 缺点： 静态放电敏感（需要ESD保护），某些应用场景下驱动电流不如TTL强。

• 兼容性： CMOS电平输入/输出，但通常有TTL兼容输入版本。

• 74HCT273 (High-speed CMOS, TTL-compatible):

• 技术： CMOS。

• 优点： 结合了CMOS的低功耗和高速特性，同时输入电平与TTL完全兼容，便于与TTL器件混合使用。

• 缺点： 输出电平可能不如标准HC系列“干净”地达到 rail-to-rail。

• 兼容性： TTL兼容输入，CMOS输出。

在选择芯片时，应根据系统的功耗要求、速度要求、电源电压、与现有逻辑器件的兼容性以及成本等因素进行综合考虑。对于新设计，74HC和74HCT系列通常是更优的选择，因为它们提供了更好的性能和更低的功耗。

10. 故障排除与常见问题

在使用74HC273时，可能会遇到一些问题。以下是一些常见的故障排除技巧：

• 输出不正确或不稳定：

• 电源问题： 检查VCC和GND连接是否正确，电压是否在规定范围内，电源是否稳定。确保去耦电容正确放置。

• 时钟信号问题： 检查CLK信号是否稳定，是否有抖动或不正确的边沿。时钟频率是否在最大允许范围内。确保CLK信号满足建立时间和保持时间要求。

• 清除信号问题： 检查 overlinetextCLR 信号是否意外地处于低电平。如果 overlinetextCLR 悬空，它可能会被解释为低电平（CMOS输入通常不建议悬空）。

• 输入信号问题： 检查D输入信号是否稳定，是否满足建立和保持时间。

• 浮空输入： CMOS器件的输入引脚不能悬空，如果D或 overlinetextCLR 引脚悬空，它们可能会拾取噪声并导致不确定的行为。不使用的输入引脚应连接到VCC或GND。

• 功耗过高：

• 振荡： 检查是否存在任何振荡，尤其是在时钟输入端。

• 输出短路： 检查输出是否短路到VCC或GND。

• 输入电平不正确： 如果CMOS输入引脚处于输入阈值区域（既不是明确的高电平也不是明确的低电平），会导致CMOS管的直通电流增加，从而提高功耗。确保输入信号是明确的高低电平。

• 芯片损坏：

• 静电放电（ESD）： CMOS器件对静电敏感。操作时应采取防静电措施。

• 过压： 检查电源电压是否超过了最大额定值。

• 引脚接反： 检查VCC和GND是否接反，这会导致芯片立即损坏。

• 输入电流过大： 如果输入端有不恰当的限流电阻或过大的驱动电流，可能会损坏输入级。

11. 总结

74HC273 八路D型触发器是一款功能强大且应用广泛的数字集成电路。通过理解其引脚图、功能表、内部工作原理以及时序特性，工程师可以有效地将其集成到各种数字系统中，实现数据存储、时序控制、数据转换和状态机等复杂功能。在设计和使用过程中，务必遵循数据手册中的电气和时序参数，并采取适当的电源去耦和静电防护措施，以确保系统的稳定性和可靠性。随着数字逻辑设计的不断发展，74HC273 及其同类产品仍将在许多嵌入式系统和数字电路中发挥其不可替代的作用。