50岁的经典芯片：555定时器
以下文章泉源于TsinghuaJoking ，作者卓晴
TsinghuaJoking.
这是一个群众号，它不端、不装，与你同游在课下、课上。 卓晴博士，清华大学中央主楼 626A。010-62773349, 13501115467，zhuoqing@tsinghua.edu.cn
在电子范畴中，555定时器集成芯片是出名集成芯片之一。但是很多人并不晓得它是怎样被创造的？底下是公布在网站Circuit Today上的一篇文章，带你重温从555被创造开头直到当今的提高历程。
一、什么是555定时集成芯片？
555芯片具有多种功效，可以用做定时器、振荡器以及脉冲产生电路，在电子范畴它是一个最紧张、最盛行的芯片。在单个晶体制造的集成芯片好像运算扩大电路一样可靠、便宜。它可以产生安定的方波信号，占空比从50%到100%。
图1 Signetic公司的第一代NE555集成芯片
二、555集成芯片怎样诞生的？
Hans R. Camenzind，在1971年计划了第一款555定时器集成芯片，事先他任职于美国Signetics公司。这个计划也成为Hans R. Camenzind在集成电路武艺范畴中最紧张的一段履历。在1971年炎天，第一版计划方案被审定，集成有恒流源电路，统共有9个管脚。
固然方案被经过，Camenzind有提出了一个新的注意，将原本的恒流源直接交换成一个电阻，如此所必要的芯片管脚就可以变小到8个，进而可以封装在8PIN电路封装里，而不必要使用14PIN的封装。在当年10月份新版的计划方案被经过，它统共包含有25个三极管、2个二极管以及15个电阻。经过外部的电阻、电容来确定定时器时间周期。
图2 创造了555定时器电路的Hans R. Camenzind
1972年，Signetic公司公布了第一款555定时器电路，有两款封装情势：8PIN的DIP封装以及8PIN的TO5金属罐封装。芯片信号为SE/NE555，是事先唯一商业化的芯片。由于这款新片价格便宜，但功效强壮，一经问世就火爆热销。厥后，其他十二家公司也消费555集成芯片，它成为热销集成芯片。
不休有人以为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，芯片的定名是由事先Segnetics公司主管，ArgFury给起的名字，而ArgFury最喜好的数字就是555。
关于555芯片的事情原理和使用先容可以参见：555 Timer-A complete Guide网文。
图3 8PIN封装的555定时器电路管脚界说
三、555定时器电路使用
颠末多少年的积累，电子工程师和喜好者探究了555集成电路的不同使用范畴，好比温度丈量、电源调治、种种振荡器。如今以前被上千例的使用方案。
555定时器的使用可以依照它的事情形式分类，正式它的丰厚机动的事情形式使得它在很多电子计划中都占据一席之地。
基本上，555定时器电路包含有三个事情形式：
1、双稳态形式：施密特触发器；
2、单稳态形式：单脉冲产生器；
3、无稳态形式：自在多谐振荡器；
依据555的事情形式（无稳态、单稳态、双稳态），555集成电路可以构成不同情势的多谐振荡器。好比选择555构成单稳态形式，可以构成单稳态多谐振荡器。这些多谐振荡器可以进一步构成构成弛张振荡器、定时器、触发器等。
图4 555集成电路
四、产生PWM波形
可以经过改动555芯片的控制引脚（PIN5）电压使得555产生脉宽调制（PWM）信号，信号的占空比取决于控制管脚的电压。
可以在开关电源电路中看到555集成电路的使用。开关电源中必要使用到PWM波形，很多计划者都将555定时器作为紧张的选择，这得益于它价格便宜以及可以与别的电路很好团结。通常必要使用到两个555芯片，一个构成多谐振荡器，一个构成PWM信号产生电路。
图5 555集成电路板
小型DC-DC变动电路是别的一个555集成电路使用范畴。此时，555定时器事情在振荡器形态，它的输入驱动逆变器产生输入的电压，这种电路用在很多产业使用场合。
除此之外，555还被用于丈量温度、丈量湿度、波形产生以及种种定时器电路。
在实践使用中，CMOS工艺制造的555定时器电路使用最广，此中包含有MOTOROLA公司出品的MC1455。它可以直接交换NE555芯片，事先售价仅有0.25美元，十分亲民。
五、双极性三极管与CMOS两种工艺
从555电路一开头计划，包含随后其他12个公司所消费的芯片它们都是相反的方案。此中包含有一些缺陷，好比比力器失衡，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重新计划了555电路，比起原本的电路改良了缺陷，提高了功能。新版555被定名为ZSCTI555。固然芯片改良了，但是在某些蜂鸣器电路中却无法事情了，以是老的计划仍旧在市场上被贩卖。
双极性555电路，斲丧电流大，会产生大的电流毛刺，在低功耗电路中无法使用。这也惹起CMOS版本的555电路被计划出来，它可以极大低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公司提供的LMC555。
图6 LM555集成芯片内里电路框图
六、555集成芯片的变种
如今我们了解到了555电路的功效，它可构成一连振荡器电路，也可构成单脉冲振荡器电路。有很多功效兼容的555定时器集成电路被不同的公司消费出来，包含双极性和CMOS的555定时器。
底下给出了555集成芯片的两种封装情势：
图7 555两种封装情势
有一种14PIN封装的电路，被称为556，它实践上是封装有两个相反的555的芯片。这两个555公用电源管脚，其他12管脚分散构成它们各自其他6个管脚。
TI公司产生的LM556就是一个双定时器电路芯片，比力合适序列定时器的使用。
图8 LM556的管脚界说
另有一些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，省略了在序列定时使用中的耦合电容。
七、幽默的555项目
今天我给各位分享一个很幽默的项目，就是用分立元器件去完成一个比砖头还要大的555定时器芯片。
假如重新开头制造电路，尤其是使用分立部件。就能深化了解555定时器芯片的每一局部以及IC的事情原理，进而对数字电路了解愈加透彻。
1、准备知识
我们先看一下DIP-8封装的555芯片，它外表是如此的，如下图所示；
图9 Signetics公司第一代NE555N
除了注意外表，我们还得看一下内里的情况，真实天下下，芯片内里的情况如下所示；
图10 555芯片内里布局
全体来说，我看不懂，底下照旧直接看一下NE555芯片的内里电路原理图吧。具体如下所示；
图11 555芯片内里原理图
简便分析一下这个原理图：
- 绿色局部：是一个分压器，在正电源电压 VCC和接地 GND 之间是一个由三个相反电阻构成的分压电路，它在1 ? 3 VCC和2 ? 3 VCC处产生两个参考电压。后者毗连到“控制”引脚。一切三个电阻都具有相反的电阻，双极定时器为5kΩ，CMOS 定时器为 100 kΩ（或更高）。
- 黄色和赤色局部是两个电压比力器；
- 紫色局部是RS触发器；
- 粉赤色局部是带推挽输入的驱动器；
图12 555芯片内里原理图
2、555计时器芯片
图13 分立元件构成的555集成电路
因此，为了开头这个项目，我们可以将555的电路分红小局部，由于最好将大电路分红几局部，这种模块化的计划，有助于对简化面包板周围的电路，别的也便于我们举行妨碍扫除。正如前方提到的，可以分为以下几个局部：
- 分压器
- 电压比力器
- SR 存放器
- 输入驱动器
- 复位晶体管
- 放电晶体管
3、分压器
分压器很简便 – 使用 4.7K 电阻器和整个电路的串联二极管保护。
图14 分压器
4、电压比力器
该项目最幽默的局部是学习和计划 555 IC 内里使用的电压比力器。特别是差分对怎样事情，什么是电流转向。
我还在差别中了解了恒流吸取器的紧张性。对和使用电流镜来增长差别的增益。
图15 电压比力器
图16 两个电压比力器
5、SR 存放器
RS触发器又称SR锁存器，是触发器中最简便的一种，也是种种其他典范触发器的基本构成局部。
两个与非门或或非门的输入端输入端举行交织耦合或首尾相接，即可构成一个基本RS触发器。
如今的SR触发器，通常由两个晶体管触发器（或非门）与一些分外的输入缓冲器一同使用，以低落 Q & ~Q 输入的输入阻抗。
图17 原理图
图18 硬件电路
图19 事情形态
6、输入驱动器
关于输入级，在原本的 555 定时器中有图腾柱设置，这很好，但它有点小妨碍，功能不太好。以是我使用了旧的推挽级作为 555 IC 的输入缓冲器。
图20 输入驱动器
7、复位晶体管
使用 PNP BJT 作为复位输入。
图21 复位晶体管
8、放电晶体管
一个 NPN 达林对，用于对地硬短路，单个 NPN 正在事情，但在 A 安定形式下有一些成绩。
图22 放电晶体管
9、终极布局
举行毗连以婚配真实 555 定时器的引脚设置。
图23 终极全体布局图
底下是全体布局，即使是硬件电路的计划上，也满意了低耦合，高内聚的头脑，如下所示；
图24 终极全体布局图
最初加上玄色的盒子，看起来就像一个鞋盒子；
10、测试环节
最初我们使用一些带有别针标志的鳄鱼夹，以在面包板上对其举行测试。
图25 鳄鱼夹
测试了一下，两个按键控制LED灯的亮与灭，以前可以正常事情了；
图26 测试LED
11、最初
这个项目不是很大，触及到的分立元器件也不是特别多，可以经过这个项目学习芯片内里的事情原理。
—— The End ——
参考材料：
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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