深度解讀555集成芯片的誕生及電路應(yīng)用

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(gè)最重要、最流行的芯片。在單個(gè)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(hào)，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(guó)Signetics公司。這個(gè)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(gè)管腳。

雖然方案被通過，Camenzind有提出了一個(gè)新的注意，將原來的恒流源直接替換成一個(gè)電阻，這樣所需要的芯片管腳就可以減少到8個(gè)，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(gè)三極管、2個(gè)二極管以及15個(gè)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(hào)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€(gè)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(cè)量、電源調(diào)理、各種振蕩器。現(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(gè)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：?jiǎn)蚊}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(hào)，信號(hào)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(gè)555芯片，一個(gè)組成多諧振蕩器，一個(gè)組成PWM信號(hào)產(chǎn)生電路。

小型DC-DC變換電路是另外一個(gè)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(dòng)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(chǎng)合。

除此之外，555還被用于測(cè)量溫度、測(cè)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(gè)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(duì)溫度敏感等。

針對(duì)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(chǎng)上被銷售。

雙極性555電路，消耗電流大，會(huì)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(gè)相同的555的芯片。這兩個(gè)555公用電源管腳，其余12管腳分別組成它們各自其他6個(gè)管腳。

TI公司產(chǎn)生的LM556就是一個(gè)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(gè)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。

編輯：hfy