555定时器电路的发展历程

 在电子领域中,555定时器集成芯片[1]是著名集成芯片之一。然而很多人并不知道它是如何被发明的?下面带你重温从555被发明开始直到当今的发展历程。

一、什么是555定时集成芯片?

   555芯片具有多种功能,可以用作定时器、振荡器以及脉冲产生电路,在电子领域它是一个最重要、最流行的芯片。在单个晶体制作的集成芯片如同运算放大电路一样可靠、便宜。它能够产生稳定的方波信号,占空比从50%到100%。
▲Signetic公司产生的第一代NE555集成芯片

二、555集成芯片如何诞生的?

 HansR.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HansR.Camenzind在集成电路技术领域中最重要的一段经历。在1971年夏天,第一版设计方案被审定,集成有恒流源电路,总共有9个管脚。
  虽然方案被通过,Camenzind又提出了一个新的注意,将原来的恒流源直接替换成一个电阻,这样所需要的芯片管脚就可以减少到8个,近而可以封装在8PIN电路封装里,而不需要使用14PIN的封装。在当年10月份新版的设计方案被通过,它总共包含有25个三极管、2个二极管以及15个电阻。通过外部的电阻、电容来确定定时器时间周期。
 

  在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。芯片信号为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,一经问世就火爆畅销。后来,其他十二家公司也生产555集成芯片,它成为畅销集成芯片。
  一直有人认为555芯片之所以取名为555,是因为芯片中存在三个5k欧姆串联分压电阻。HansR.Camnenzind在他的“DesigningAnalogueChips”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最喜欢的数字就是555。
  关于555芯片的工作原理和使用介绍可以参见:555Timer-AcompleteGuide[1]网文。
▲8PIN封装的555定时器电路管脚定义

三、555定时器电路应用

       经过若干年的积累,电子工程师和爱好者探索了555集成电路的不同应用领域,比如温度测量、电源调理、各种振荡器。现在已经被上千例的应用方案。
  555定时器的应用可以按照它的工作模式分类,正是它的丰富灵活的工作模式使得它在很多电子设计中都占有一席之地。
  基本上,555定时器电路包括有三个工作模式:  
  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的工作模式(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。

四、产生PWM波形

       可以通过改变555芯片的控制引脚(PIN5)电压使得555缠手脉宽调制(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集成电路的应用。开关电源中需要使用到PWM波形,很多设计者都将555定时器作为重要的选择,这得益于它价格低廉以及可以与其它电路很好结合。通常需要使用到两个555芯片,一个组成多谐振荡器,一个组成PWM信号产生电路。
  小型DC-DC变换电路是另外一个555集成电路应用领域。此时,555定时器工作在振荡器状态,它的输出驱动逆变器产生输出的电压,这种电路是用在很多工业应用场合。
  除此之外,555还被用于测量温度、测量湿度、波形产生以及各种定时器电路。
  在实际应用中,CMOS工艺制作的555定时器电路应用最广,其中包括有MOTOROLA公司出品的MC1455。它可以直接替换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。其中包括有一些缺陷,比如比较器失衡,工作电路占用面积较大,对温度敏感等。
  针对这些缺点,HansR.Camenzind重新设计了555电路,比起原来的电路改进了缺点,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工作了,所以老的设计仍然在市场上被销售。
  双极性555电路,消耗电流大,会产生大的电流毛刺,在低功耗电路中无法应用。这也引起CMOS版本的555电路被设计出来,它可以极大降低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.
▲LM555集成芯片内部电路框图

六、555集成芯片的变种

       现在我们了解到了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:
▲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,其余12管脚分别组成它们各自其他6个管脚。
  TI公司产生的LM556就是一个双定时器电路芯片,比较适合序列定时器的应用。
▲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,省略了在序列定时应用中的耦合电容。
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