50岁的经典芯片：555准时器_电路_准时器

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在电子领域中，555定时器集成芯片是著名集成芯片之一。
然而很多人并不知道它是如何被发明的？下面是揭橥在网站Circuit Today上的一篇文章，带你重温从555被发明开始直到当今的发展进程。

一、什么是555定时集成芯片？

555芯片具有多种功能，可以用做定时器、振荡器以及脉冲产生电路，在电子领域它是一个最主要、最盛行的芯片。
在单个晶系统编制作的集成芯片犹如运算放大电路一样可靠、便宜。
它能够产生稳定的方波旗子暗记，占空比从50%到100%。

图1 Signetic公司的第一代NE555集成芯片二、555集成芯片如何出身的？

Hans R. Camenzind，在1971年设计了第一款555定时器集成芯片，当时他任职于美国Signetics公司。
这个设计也成为Hans R. Camenzind在集成电路技能领域中最主要的一段经历。
在1971年夏天，初版设计方案被审定，集成有恒流源电路，统共有9个管脚。

虽然方案被通过，Camenzind有提出了一个新的把稳，将原来的恒流源直接更换成一个电阻，这样所须要的芯片管脚就可以减少到8个，进而可以封装在8PIN电路封装里，而不须要利用14PIN的封装。
在当年10月份新版的设计方案被通过，它统共包含有25个三极管、2个二极管以及15个电阻。
通过外部的电阻、电容来确定定时器韶光周期。

图2 发明了555定时器电路的Hans R. Camenzind

1972年，Signetic公司发布了第一款555定时器电路，有两款封装形式：8PIN的DIP封装以及8PIN的TO5金属罐封装。
芯片旗子暗记为SE/NE555，是当时唯一商业化的芯片。
由于这款新片价格低廉，但功能强大，一经问世就火爆脱销。
后来，其他十二家公司也生产555集成芯片，它成为脱销集成芯片。

一贯有人认为555芯片之以是取名为555，是由于芯片中存在三个5k欧姆串联分压电阻。
Hans R. Camnenzind在他的“Designing Analogue Chips”书中讲到，芯片的命名是由当时Segnetics公司主管，ArgFury给起的名字，而ArgFury最喜好的数字便是555。

关于555芯片的事情事理和利用先容可以拜会：555 Timer-A complete Guide网文。

图3 8PIN封装的555定时器电路管脚定义

经由多少年的积累，电子工程师和爱好者探索了555集成电路的不同运用领域，比如温度丈量、电源调理、各种振荡器。
现在已经被上千例的运用方案。

555定时器的运用可以按照它的事情模式分类，正式它的丰富灵巧的事情模式使得它在很多电子设计中都霸占一席之地。

基本上，555定时器电路包括有三个事情模式：

1、双稳态模式：施密特触发器；

2、单稳态模式：单脉冲发生器；

3、无稳态模式：自由多谐振荡器；

根据555的事情模式（无稳态、单稳态、双稳态），555集成电路可以组成不同形式的多谐振荡器。
比如选择555组成单稳态模式，可以形成单稳态多谐振荡器。
这些多谐振荡器可以进一步形成组成弛张振荡器、定时器、触发器等。

图4 555集成电路

四、产生PWM波形

可以通过改变555芯片的掌握引脚（PIN5）电压使得555产生脉宽调制（PWM）旗子暗记，旗子暗记的占空比取决于掌握管脚的电压。

可以在开关电源电路中看到555集成电路的运用。
开关电源中须要利用到PWM波形，很多设计者都将555定时器作为主要的选择，这得益于它价格低廉以及可以与其它电路很好结合。
常日须要利用到两个555芯片，一个组成多谐振荡器，一个组成PWM旗子暗记产生电路。

图5 555集成电路板

小型DC-DC变换电路是其余一个555集成电路运用领域。
此时，555定时器事情在振荡器状态，它的输出驱动逆变器产生输出的电压，这种电路用在很多工业运用处所。

除此之外，555还被用于丈量温度、丈量湿度、波形产生以及各种定时器电路。

在实际运用中，CMOS工艺制作的555定时器电路运用最广，个中包括有MOTOROLA公司出品的MC1455。
它可以直接更换NE555芯片，当时售价仅有0.25美元，十分亲民。

五、双极性三极管与CMOS两种工艺

从555电路一开始设计，包括随后其他12个公司所生产的芯片它们都是相同的方案。
个中包括有一些毛病，比如比较器失落衡，事情电路占用面积较大，对温度敏感等。

针对这些缺陷，Hans R. Camenzind重新设计了555电路，比起原来的电路改进了缺陷，提高了性能。
新版555被命名为ZSCTI555。
虽然芯片改进了，但是在某些蜂鸣器电路中却无法事情了，以是老的设计仍旧在市场上被发卖。

双极性555电路，花费电流大，会产生大的电流毛刺，在低功耗电路中无法运用。
这也引起CMOS版本的555电路被设计出来，它可以极大降落电路的功耗以及所产生的电流毛刺噪声。

一款CMOS版本的555是由TI公司供应的LMC555。

图6 LM555集成芯片内部电路框图

六、555集成芯片的变种

现在我们理解到了555电路的功能，它可构成连续振荡器电路，也可构成单脉冲振荡器电路。
有很多功能兼容的555定时器集成电路被不同的公司生产出来，包括双极性和CMOS的555定时器。

下面给出了555集成芯片的两种封装形式：

图7 555两种封装形式

有一种14PIN封装的电路，被称为556，它实际上是封装有两个相同的555的芯片。
这两个555公用电源管脚，别的12管脚分别组成它们各自其他6个管脚。

TI公司产生的LM556便是一个双定时器电路芯片，比较适宜序列定时器的运用。

图8 LM556的管脚定义

还有一些DIP16封装的定时器电路，被称为558， 559。
它们是集成有四个555芯片。
558是用于边沿触发的四定时器芯片，省略了在序列定时运用中的耦合电容。

七、有趣的555项目

本日我给大家分享一个很有趣的项目，便是用分立元器件去实现一个比砖头还要大的555定时器芯片。

如果从头开始制作电路，尤其是利用分立部件。
就能深入理解555定时器芯片的每一部分以及IC的事情事理，进而对数字电路理解更加透彻。

我们先看一下DIP-8封装的555芯片，它外不雅观是这样的，如下图所示；

图9 Signetics公司第一代NE555N

除了看重外表，我们还得看一下内部的情形，真实天下下，芯片内部的情形如下所示；

图10 555芯片内部构造

整体来说，我看不懂，下面还是直接看一下NE555芯片的内部电路事理图吧。
详细如下所示；

图11 555芯片内部事理图

大略剖析一下这个事理图：

图12 555芯片内部事理图

2、555计时器芯片

图13 分立元件构成的555集成电路

因此，为了开始这个项目，我们可以将555的电路分成小部分，由于最好将大电路分成几部分，这种模块化的设计，有助于对简化面包板周围的电路，其余也便于我们进行故障打消。
正如前面提到的，可以分为以下几个部分：

分压器很大略 - 利用 4.7K 电阻器和全体电路的串联二极管保护。

图14 分压器

该项目最有趣的部分是学习和设计 555 IC 内部利用的电压比较器。
特殊是差分对如何事情，什么是电流转向。

我还在差异中理解了恒流接管器的主要性。
对和利用电流镜来增加差异的增益。

图15 电压比较器

图16 两个电压比较器

RS触发器又称SR锁存器，是触发器中最大略的一种，也是各种其他类型触发器的基本组成部分。

两个与非门或或非门的输入端输出端进行交叉耦合或首尾相接，即可构成一个基本RS触发器。

现在的SR触发器，常日由两个晶体管触发器（或非门）与一些额外的输出缓冲器一起利用，以降落 Q & ~Q 输出的输出阻抗。

图17 事理图

图18 硬件电路

图19 事情状态

对付输出级，在原来的 555 定时器中有图腾柱配置，这很好，但它有点小故障，性能不太好。
以是我利用了旧的推挽级作为 555 IC 的输出缓冲器。

图20 输出驱动器

利用 PNP BJT 作为复位输入。

图21 复位晶体管

一个 NPN 达林对，用于对地硬短路，单个 NPN 正在事情，但在 A 稳定模式下有一些问题。

图22 放电晶体管

进行连接以匹配真实 555 定时器的引脚配置。

图23 终极整体布局图

下面是整体布局，纵然是硬件电路的设计上，也知足了低耦合，高内聚的思想，如下所示；

图24 终极整体布局图

末了加上玄色的盒子，看起来就像一个鞋盒子；

10、测试环节

末了我们利用一些带有别针标记的鳄鱼夹，以在面包板上对其进行测试。

图25 鳄鱼夹

测试了一下，两个按键掌握LED灯的亮与灭，已经可以正常事情了；

图26 测试LED

这个项目不是很大，涉及到的分立元器件也不是特殊多，可以通过这个项目学习芯片内部的事情事理。

—— The End ——

1、《555 Timer – A Complete Basic Guide》，https://www.circuitstoday.com/555-timer；

2、《The History of 555 Timer IC – Story of Invention by Hans Camenzind》，https://www.circuitstoday.com/the-history-555-timer-ic；

3、《Giant 555 Timer》，https://hackaday.io/project/182863-giant-555-timer。

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