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[導(dǎo)讀]在電子領(lǐng)域中, 555 定時(shí)器集成芯片是著名集成芯片之一。

在電子領(lǐng)域中, 555 定時(shí)器集成芯片[1] 是著名集成芯片之一。然而很多人并不知道它是如何被發(fā)明的?下面是發(fā)表在網(wǎng)站 Circuit Today上的一篇文章[2] ,帶你重溫從555被發(fā)明開始直到當(dāng)今的發(fā)展歷程。

一、什么是555定時(shí)集成芯片?


555芯片具有多種功能,可以用做定時(shí)器、振蕩器以及脈沖產(chǎn)生電路,在電子領(lǐng)域它是一個最重要、最流行的芯片。在單個晶體制作的集成芯片如同運(yùn)算放大電路一樣可靠、便宜。它能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的方波信號,占空比從50% 到100% 。

▲ Signetic公司產(chǎn)生的第一代NE555集成芯片

二、555集成芯片如何誕生的?


Hans R. Camenzind,在1971年設(shè)計(jì)了第一款555定時(shí)器集成芯片,當(dāng)時(shí)他任職于美國Signetics公司。這個設(shè)計(jì)也成為Hans R. Camenzind在集成電路技術(shù)領(lǐng)域中最重要的一段經(jīng)歷。在1971年夏天,第一版設(shè)計(jì)方案被審定,集成有恒流源電路,總共有9個管腳。

雖然方案被通過,Camenzind有提出了一個新的注意,將原來的恒流源直接替換成一個電阻,這樣所需要的芯片管腳就可以減少到8個,進(jìn)而可以封裝在8PIN電路封裝里,而不需要使用14PIN的封裝。在當(dāng)年10月份新版的設(shè)計(jì)方案被通過,它總共包含有25個三極管、2個二極管以及15個電阻。通過外部的電阻、電容來確定定時(shí)器時(shí)間周期。

▲ Hans R. Camenzind 發(fā)明了555定時(shí)器電路

在1972年,Signetic公司發(fā)布了第一款555定時(shí)器電路,有兩款封裝形式:8PIN的DIP封裝以及8PIN的TO5金屬罐封裝。芯片信號為SE/NE555,是當(dāng)時(shí)唯一商業(yè)化的芯片。由于這款新片價(jià)格低廉,但功能強(qiáng)大,一經(jīng)問世就火爆暢銷。后來,其他十二家公司也生產(chǎn)555集成芯片,它成為暢銷集成芯片。

一直有人認(rèn)為555芯片之所以取名為555,是因?yàn)樾酒写嬖谌齻€5k歐姆串聯(lián)分壓電阻。Hans R. Camnenzind在他的“Designing Analogue Chips”書中講到,芯片的命名是由當(dāng)時(shí)Segnetics公司主管,ArgFury給起的名字,而ArgFury最喜歡的數(shù)字就是555。

關(guān)于555芯片的工作原理和使用介紹可以參見:555 Timer-A complete Guide[1] 網(wǎng)文。

▲ 8PIN封裝的555定時(shí)器電路管腳定義

三、555定時(shí)器電路應(yīng)用


經(jīng)過若干年的積累,電子工程師和愛好者探索了555集成電路的不同應(yīng)用領(lǐng)域,比如溫度測量、電源調(diào)理、各種振蕩器?,F(xiàn)在已經(jīng)被上千例的應(yīng)用方案。

555定時(shí)器的應(yīng)用可以按照它的工作模式分類,正式它的豐富靈活的工作模式使得它在很多電子設(shè)計(jì)中都占有一席之地。

基本上,555定時(shí)器電路包括有三個工作模式:

  1. 雙穩(wěn)態(tài)模式:施密特觸發(fā)器;

  2. 單穩(wěn)態(tài)模式:單脈沖發(fā)生器;

  3. 無穩(wěn)態(tài)模式:自由多諧振蕩器;

根據(jù)555的工作模式(無穩(wěn)態(tài)、單穩(wěn)態(tài)、雙穩(wěn)態(tài)),555集成電路可以組成不同形式的多諧振蕩器。比如選擇555組成單穩(wěn)態(tài)模式,可以形成單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器。這些多諧振蕩器可以進(jìn)一步形成組成弛張振蕩器、定時(shí)器、觸發(fā)器等。


四、產(chǎn)生PWM波形


可以通過改變555芯片的控制引腳(PIN5)電壓使得555產(chǎn)生脈寬調(diào)制(PWM)信號,信號的占空比取決于控制管腳的電壓。

可以在開關(guān)電源電路中看到555集成電路的應(yīng)用。開關(guān)電源中需要使用到PWM波形,很多設(shè)計(jì)者都將555定時(shí)器作為重要的選擇,這得益于它價(jià)格低廉以及可以與其它電路很好結(jié)合。通常需要使用到兩個555芯片,一個組成多諧振蕩器,一個組成PWM信號產(chǎn)生電路。

小型DC-DC變換電路是另外一個555集成電路應(yīng)用領(lǐng)域。此時(shí),555定時(shí)器工作在振蕩器狀態(tài),它的輸出驅(qū)動逆變器產(chǎn)生輸出的電壓,這種電路用在很多工業(yè)應(yīng)用場合。

除此之外,555還被用于測量溫度、測量濕度、波形產(chǎn)生以及各種定時(shí)器電路。

在實(shí)際應(yīng)用中,CMOS工藝制作的555定時(shí)器電路應(yīng)用最廣,其中包括有MOTOROLA公司出品的MC1455。它可以直接替換NE555芯片,當(dāng)時(shí)售價(jià)僅有0.25美元,十分親民。

五、雙極性三極管與CMOS兩種工藝


從555電路一開始設(shè)計(jì),包括隨后其他12個公司所生產(chǎn)的芯片它們都是相同的方案。其中包括有一些缺陷,比如比較器失衡,工作電路占用面積較大,對溫度敏感等。

針對這些缺點(diǎn),Hans R. Camenzind重新設(shè)計(jì)了555電路,比起原來的電路改進(jìn)了缺點(diǎn),提高了性能。新版555被命名為ZSCTI555。雖然芯片改進(jìn)了,但是在某些蜂鳴器電路中卻無法工作了,所以老的設(shè)計(jì)仍然在市場上被銷售。

雙極性555電路,消耗電流大,會產(chǎn)生大的電流毛刺,在低功耗電路中無法應(yīng)用。這也引起CMOS版本的555電路被設(shè)計(jì)出來,它可以極大降低電路的功耗以及所產(chǎn)生的電流毛刺噪聲。

一款CMOS版本的555是由TI公司提供的LMC555.

▲ LM555集成芯片內(nèi)部電路框圖

六、555集成芯片的變種


現(xiàn)在我們了解到了555電路的功能,它可構(gòu)成連續(xù)振蕩器電路,也可構(gòu)成單脈沖振蕩器電路。有很多功能兼容的555定時(shí)器集成電路被不同的公司生產(chǎn)出來,包括雙極性和CMOS的555定時(shí)器。

下面給出了555集成芯片的兩種封裝形式:

▲ 555兩種封裝形式

有一種14PIN封裝的電路,被稱為556,它實(shí)際上是封裝有兩個相同的555的芯片。這兩個555公用電源管腳,其余12管腳分別組成它們各自其他6個管腳。

TI公司產(chǎn)生的LM556就是一個雙定時(shí)器電路芯片,比較適合序列定時(shí)器的應(yīng)用。

▲ LM556的管腳定義

還有一些DIP16封裝的定時(shí)器電路,被稱為558, 559。它們是集成有四個555芯片。558是用于邊沿觸發(fā)的四定時(shí)器芯片,省略了在序列定時(shí)應(yīng)用中的耦合電容。

參考資料 [1]

555 定時(shí)器集成芯片: https://www.circuitstoday.com/555-timer

[2]

Circuit Today上的一篇文章: https://www.circuitstoday.com/the-history-555-timer-ic




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