芯片型号74LS273是一款非常常见的集成电路，它属于八路D型触发器，常用于数字电路设计中，执行并行数据存储和锁存功能。这款芯片在各种电子设备中都有广泛应用，从简单的逻辑控制到复杂的微处理器系统，其作用都不可小觑。

74LS273芯片概述

74LS273芯片，作为7400系列集成电路家族的一员，采用低功耗肖特基（LS）工艺制造，这使得它在保持较高工作速度的同时，显著降低了功耗，这对于许多对功耗有严格要求的应用来说是一个重要的优势。它的主要功能是实现数据并行输入和并行输出，其内部集成了八个独立的D型触发器。每个D型触发器都可以独立地存储一位二进制数据。这种多路集成的特性使得74LS273在需要同时处理多位数据的场合变得非常高效。

D型触发器的工作原理

要深入理解74LS273的功能，首先必须了解其核心组成部分——D型触发器的工作原理。D型触发器是一种边沿触发的存储单元，这意味着它在时钟信号的特定边沿（通常是上升沿，即从低电平到高电平的跳变）到来时才将输入数据（D端）锁存到输出端（Q端）。当数据输入端D接收到高电平信号时，并且时钟信号CLK从低电平跳变为高电平（上升沿），则输出端Q会变为高电平。相反，如果数据输入端D为低电平，当CLK的上升沿到来时，输出端Q会变为低电平。在时钟信号CLK的非触发边沿期间或者时钟信号保持稳定时，D型触发器的输出会保持不变，即保持之前锁存的数据。这种特性使得D型触发器成为理想的数据存储单元，可以用于构建各种时序逻辑电路，例如寄存器、计数器和移位寄存器等。

74LS273的引脚功能详解

74LS273芯片通常采用16引脚的双列直插式封装（DIP-16），其引脚功能定义对于正确使用该芯片至关重要：

• VCC (引脚16)：这是芯片的电源正极输入端，通常需要连接到+5V直流电源。提供稳定的电源是芯片正常工作的基本前提。

• GND (引脚8)：这是芯片的电源地线输入端，需要连接到电路的公共地。

• CLK (时钟输入，引脚11)：这是公共时钟输入端，用于同步所有八个D型触发器的数据锁存操作。当CLK信号发生上升沿跳变时，所有D输入端的数据都会被同时锁存到各自的Q输出端。这意味着所有八个位的数据刷新都是同步进行的，这对于并行数据处理非常重要。

• /CLR (清零输入，引脚1)：这是一个低电平有效的异步清零输入端。当该引脚接收到低电平时，无论时钟信号如何，所有八个D型触发器的Q输出端都会立即被强制清零（变为低电平）。这个功能在系统初始化或需要将所有寄存器状态恢复到已知状态时非常有用。需要注意的是，这是一个异步操作，不依赖于时钟边沿。在正常工作时，为了避免意外清零，该引脚通常需要连接到高电平。

• D0-D7 (数据输入，引脚3, 4, 7, 10, 13, 14, 15, 17)：这八个引脚是并行数据输入端。每个D引脚对应一个D型触发器。在CLK的上升沿到来时，D0-D7引脚上的电平状态会被分别锁存到对应的Q0-Q7输出端。

• Q0-Q7 (数据输出，引脚2, 5, 6, 9, 12, 18, 19, 20)：这八个引脚是并行数据输出端。Q0-Q7分别对应D0-D7输入的锁存结果。这些输出端可以驱动其他逻辑门或负载。

理解这些引脚的功能对于正确设计和调试使用74LS273的电路至关重要。

74LS273的工作模式与时序

74LS273芯片主要有两种工作模式：

1. 数据锁存模式（正常工作模式）： 在此模式下，/CLR引脚保持高电平（非激活状态）。芯片的输出状态完全由时钟CLK的上升沿和D输入端的数据决定。当CLK信号从低电平变为高电平时，每个D型触发器会立即捕获其对应D输入端的电平，并将其传输到相应的Q输出端。在CLK的上升沿之后，即使D输入端的数据发生变化，Q输出端也会保持锁存的数据不变，直到下一个CLK的上升沿到来。这正是其“寄存器”功能的体现，实现了数据的同步并行传输和存储。

2. 异步清零模式： 在此模式下，当/CLR引脚变为低电平（激活状态）时，所有Q输出端会立即、异步地被强制清零为低电平，无论CLK的状态和D输入端的数据如何。这个操作不依赖于时钟信号，因此被称为“异步”。这个模式在系统启动时初始化寄存器或在需要立即复位系统状态时非常有用。一旦/CLR引脚重新变为高电平，芯片就恢复到正常的数据锁存模式。

在时序方面，理解74LS273的关键参数包括：

• 建立时间（Setup Time, tSU）：在CLK上升沿到来之前，数据D必须保持稳定的最小时间。如果数据D在建立时间之前没有稳定，则无法保证正确的锁存。

• 保持时间（Hold Time, tH）：在CLK上升沿之后，数据D必须保持稳定的最小时间。通常，74LS系列芯片的保持时间非常短，甚至可能为负值，这意味着数据可以在CLK上升沿之后很快发生变化，但仍然能被正确锁存。

• 传播延迟（Propagation Delay, tPLH/tPHL）：从CLK的上升沿（或/CLR的下降沿）到Q输出端响应变化的时间。这是衡量芯片速度的重要指标。tPLH表示从低到高的延迟，tPHL表示从高到低的延迟。

• 清零脉冲宽度（Clear Pulse Width, tCLR）：/CLR引脚需要保持低电平的最小时间，以确保所有触发器都被正确清零。

这些时序参数在设计高速数字电路时尤为重要，它们决定了电路的最高工作频率和稳定性。

74LS273的应用场景

74LS273芯片由于其强大的并行数据存储和锁存能力，在各种数字系统中都有广泛的应用。以下是一些典型的应用场景：

1. 并行数据寄存器： 这是74LS273最基本也是最重要的应用。它可以作为8位并行数据寄存器，用于临时存储微处理器或其他数字系统总线上的数据。例如，在一个数据总线上，如果需要将8位数据从一个模块传输到另一个模块，74LS273可以作为中间的锁存器，在特定的时钟周期将数据捕获并保持，直到下一个模块准备好接收。这在模块之间存在速度差异或需要同步数据传输时非常关键。

2. 地址锁存器： 在微处理器系统中，地址总线和数据总线有时是复用的（即同一组物理引脚既用于传输地址又用于传输数据）。在这种情况下，74LS273可以作为地址锁存器。微处理器在发出地址信号时，会同时发出一个地址锁存使能信号（ALE）。当ALE信号有效时，74LS273会捕获地址总线上的地址信息并将其锁存，从而将地址和数据分离开来，使得内存或其他外设能够稳定地接收地址信息。

3. I/O端口扩展： 当微控制器的I/O引脚数量不足以满足外设需求时，74LS273可以作为并行I/O端口扩展器。通过将74LS273的D输入端连接到微控制器的少量数据线，并将CLK引脚连接到微控制器的写使能信号，Q输出端就可以作为额外的I/O端口，用于驱动LED、控制继电器、或者接收传感器信号等。这有效地增加了微控制器的可控和可读的并行I/O引脚数量。

4. 状态存储器/状态标志寄存器： 在复杂的数字电路或状态机设计中，74LS273可以用于存储系统的当前状态标志或中间结果。例如，一个处理器可能需要存储一些标志位（如零标志、进位标志、溢出标志等），这些标志位会根据运算结果实时更新。74LS273可以作为这些标志位的寄存器，在每个时钟周期末尾锁存最新的标志状态，供后续逻辑判断使用。

5. 数据缓冲器： 在不同速度的数字模块之间进行数据传输时，74LS273可以充当数据缓冲器。例如，一个高速数据源可能以很快的速度输出数据，而一个低速数据接收器可能无法实时处理。74LS273可以在每个时钟周期捕获高速数据，并将其保持，直到低速接收器准备好读取。这有助于平滑数据流，防止数据丢失。

6. 数据同步器： 在异步系统或跨时钟域的设计中，74LS273可以用于同步数据。当来自一个时钟域的数据需要被另一个时钟域使用时，直接传输可能会导致亚稳态问题。通过使用74LS273作为同步器，可以确保数据在接收时钟域的上升沿被正确捕获和同步，从而减少亚稳态的风险。

7. 简单的移位寄存器（配合外部反馈）： 虽然74LS273本身是一个并行输入/并行输出的寄存器，但通过巧妙的外部连接和反馈，也可以实现简单的串行到并行转换或并行到串行转换的功能，甚至构建基本的移位寄存器。例如，将一个触发器的Q输出连接到下一个触发器的D输入，就可以构成一个链式结构，实现数据的移位。

这些应用充分展示了74LS273在数字逻辑设计中的灵活性和实用性，使其成为电子工程师工具箱中不可或缺的一部分。

74LS273的选型考量与替代品

在选择74LS273芯片进行设计时，有几个重要的考量因素：

• 速度需求：74LS273属于低功耗肖特基TTL系列，其工作速度对于大多数通用应用来说是足够的。但如果需要更高的数据吞吐量或更高的时钟频率，可能需要考虑更高速度的CMOS系列芯片，例如74HC273（高速CMOS）或74HCT273（高速CMOS，TTL兼容输入）。

• 功耗预算：74LS系列在功耗方面比传统的TTL系列有优势，但比CMOS系列（如74HC系列）的功耗要高。对于电池供电或对功耗有严格限制的应用，CMOS系列可能更为合适。

• 电压兼容性：74LS273通常工作在5V电源电压下。如果系统工作在3.3V或其他电压，需要考虑电压转换或选择支持相应电压的芯片。

• 扇出能力：74LS273的输出驱动能力需要能够满足其所连接的后续逻辑门的输入需求。

• 封装类型：除了常见的DIP封装，74LS273也可能有表面贴装（SMD）封装，如SOIC、TSSOP等。根据PCB设计和自动化生产的需求选择合适的封装。

市场上有许多与74LS273功能相似的替代芯片，它们可能在速度、功耗、封装或电压兼容性方面有所不同。例如：

• 74HC273：高速CMOS版本，具有更低的功耗和更高的速度，但输入阻抗高，可能对未使用的输入引脚有更严格的要求（需要连接到高或低电平以防止浮空）。

• 74HCT273：高速CMOS版本，但输入电平与TTL兼容，这在混合使用TTL和CMOS器件的系统中非常方便。

• CD74AC273 / SN74AC273：更高速的CMOS系列，通常用于对速度要求更高的场合。

在实际设计中，工程师会根据具体项目的性能、功耗、成本和兼容性要求来选择最合适的芯片。

74LS273的内部结构与逻辑门实现

从内部结构来看，74LS273芯片集成了八个独立的D型触发器，每个触发器都由多个逻辑门（如与门、非门、或门、NAND门等）组合而成。一个基本的D型触发器通常可以由SR锁存器（Set-Reset Latch）和一些控制门组成。

SR锁存器是基本的存储单元，它有两个输入S（置位）和R（复位），以及两个输出Q和Q非。当S为高R为低时，Q置为高；当S为低R为高时，Q置为低；当S和R都为低时，Q保持不变。当S和R都为高时，则为非法状态。

为了将SR锁存器转换为D型触发器，通常会在SR锁存器的输入端增加门控逻辑，使得S和R输入不再独立，而是通过一个数据输入D和时钟信号CLK来控制。一个常见的D型触发器实现方式是：

• S = CLK AND D

• R = CLK AND NOT D

这意味着只有当CLK为高电平时，D输入的数据才能影响SR锁存器的状态。但这只是一个基本锁存器，而不是边沿触发的触发器。要实现边沿触发，通常会使用“主从触发器”结构或更复杂的门控逻辑。

主从触发器的工作原理是：在时钟信号的一个边沿（例如上升沿）到来时，主锁存器捕获数据；然后在时钟信号的另一个边沿（例如下降沿）到来时，主锁存器的数据传输到从锁存器，并且从锁存器的输出才会改变。这样可以确保输出只在时钟的特定边沿发生变化，避免了“透明”状态。

对于74LS273这样的八路D型触发器，它包含了八套这样的独立D型触发器电路，它们共用一个时钟输入CLK和一个公共的异步清零输入/CLR。清零功能通常是通过在每个D型触发器内部引入一个非门或NAND门实现，当/CLR为低电平时，强制将所有触发器的输出置为低电平。这种集成方式使得单个芯片能够同时处理8位数据，大大简化了电路设计，并节省了PCB空间。

74LS273的局限性与改进

尽管74LS273功能强大且应用广泛，但它也存在一些局限性，这些局限性促使了后续更先进芯片的开发：

1. 功耗相对较高：尽管是“低功耗肖特基”系列，与现代CMOS技术相比，74LS系列芯片的静态功耗和动态功耗仍然相对较高。在电池供电或对能效有极高要求的应用中，这可能是一个限制。

2. 速度限制：在需要极高数据传输速率的场合，如高速数据通信或高性能计算，74LS273的最高工作频率可能无法满足要求。更先进的CMOS系列（如74AC/ACT、74F等）提供了更高的速度。

3. 驱动能力有限：虽然其输出可以驱动多个TTL输入，但在需要驱动大电流负载或多个CMOS输入时，可能需要额外的缓冲或驱动电路。

4. 无三态输出：74LS273的输出是推挽输出（Push-Pull），这意味着它们的输出始终处于高电平或低电平状态，不能进入高阻态。在需要将多个芯片的输出连接到同一总线（即总线共享）时，如果没有三态输出，就需要额外的总线收发器或多路复用器，增加了电路复杂性。而一些其他寄存器芯片，例如74LS374，就提供了三态输出功能，这在总线型应用中非常方便。

5. 异步清零的风险：异步清零功能虽然方便，但在某些复杂时序电路中，不当使用异步清零可能导致竞争冒险或亚稳态问题。设计者需要谨慎处理异步输入，确保其在适当的时机被激活和解除，以避免系统进入不确定状态。

为了克服这些局限性，业界推出了许多改进型或功能更强大的芯片，例如：

• 三态输出寄存器：如74LS374、74LS574等，它们在74LS273的基础上增加了三态输出控制引脚，允许输出进入高阻态，从而方便地实现总线共享。

• 更高速和更低功耗的CMOS系列：如74HC273、74HCT273、74AC273等，它们在速度和功耗方面有显著提升。

• 带有内置功能的寄存器：例如带有加载、清零、使能等复杂控制功能的通用寄存器，以及具有移位、计数等功能的专用寄存器。

尽管有这些新的替代品，74LS273仍然因为其简单、可靠、成本效益高的特点，在许多不需要极致性能的数字电路设计中保持着其独特的地位和应用价值。它作为学习和理解数字逻辑基础的经典器件，依然被广泛使用。

结语

74LS273芯片以其八路D型触发器的核心功能，在数字逻辑电路中扮演着至关重要的角色。它实现了并行数据的同步存储和锁存，为各种电子设备提供了基础的数据处理和控制能力。从微处理器系统中的地址锁存、数据缓冲，到简单的I/O端口扩展和状态存储，其应用场景广泛而多样。尽管随着半导体技术的发展，出现了性能更优、功耗更低的CMOS系列替代品，但74LS273凭借其经典的设计、稳定的性能和广泛的认知度，依然是数字电路设计领域中不可或缺的组成部分，特别是在教育、实验和许多通用型应用中，它依然是首选的器件之一。掌握74LS273的功能与应用，对于理解数字逻辑、时序电路以及现代计算机体系结构的基础原理，都具有重要的意义。