555時基電路原理與應(yīng)用

555時基電路是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙結(jié)合在同一硅片上的組合集成電路。它設(shè)計新穎，構(gòu)思奇巧，用途廣泛，備受電子專業(yè)設(shè)計人員和電子愛好者的青睞，人們將其戲稱為偉大的小IC。1972年，美國西格尼蒂克斯公司(Signetics)研制出Tmer NE555雙極型時基電路，設(shè)計原意是用來取代體積大,定時精度差的熱延遲繼電器等機械式延遲器。但該器件投放市場后，人們發(fā)現(xiàn)這種電路的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出原設(shè)計的使用范圍，用途之廣幾乎遍及電子應(yīng)用的各個領(lǐng)域，需求量極大。美國各大公司相繼仿制這種電路 1974年西格尼蒂克斯公司又在同一基片上將兩個雙極型555單元集成在一起，取名為NF556。1978年美國英特錫爾公司(Intelsil)研制成功CMOS型時基電路ICM555 1CM556,后來又推出將四個時基電路集成在一個芯片上的四時基電路558 由于采用CMOS型工藝和高度集成，使時基電路的應(yīng)用從民用擴展到火箭、導(dǎo)彈,衛(wèi)星,航天等高科技領(lǐng)域。在這期間，日本、西歐等各大公司和廠家也競相仿制、生產(chǎn)。盡管世界各大半導(dǎo)體或器件公司、廠家都在生產(chǎn)各自型號的555／556時基電路，但其內(nèi)部電路大同小異，且都具有相同的引出功能端。
555時基電路引腳圖

等效功能電路

鑒于各種雙極型的555集成塊的內(nèi)部電路大同小異，下面我們以CA555為例分析其內(nèi)部電路和原理。從CA555時基電路的內(nèi)部等效電路圖中可看到，VTl-VT4、VT5、VT7組成上比較器Al，VT7的基極電位接在由三個5kΩ電阻組成的分壓器的上端，電壓為⅔VDD；VT9-VT13組成下比較器A2，VTl3的基極接分壓器的下端，參考電位為⅓VDD。在電路設(shè)計時，要求組成分壓器的三個5kΩ電阻的阻值嚴(yán)格相等，以便給出比較精確的兩個參考電位⅓VDD和⅔VDD。VTl4-VTl7與一個4.7kΩ的正反饋電阻組合成一個雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。VTl8-VT21組成一個推挽式功率輸出級，能輸出約200mA的電流。VT8為復(fù)位放大級，VT6是一個能承受50mA以上電流的放電晶體三極管。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的工作狀態(tài)由比較器A1、A2的輸出決定。
555時基電路的工作過程如下：當(dāng)2腳，即比較器A2的反相輸入端加進(jìn)電位低于⅓VDD的觸發(fā)信號時，則VT9、VTll導(dǎo)通，給雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中的VTl4提供一偏流，使VTl4飽和導(dǎo)通，它的飽和壓降Vces箝制VTl5的基極處于低電平，使VTl5截止，VTl7飽和，從而使VTl8截止，VTl9導(dǎo)通，VT20完全飽和導(dǎo)通，VT21截止。因此，輸出端3腳輸出高電平。此時，不管6端(閾值電壓)為何種電平，由于雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(VTl4-VTl7)中的4．7kΩ電阻的正反饋作用(VTl5的基極電流是通過該電阻提供的)，3腳輸出高電平狀態(tài)一直保持到6腳出現(xiàn)高于⅓VDD的電平為止。當(dāng)觸發(fā)信號消失后，即比較器A2反相輸入端2腳的電位高于⅓VDD，則VT9、VTll截止，VTl4因無偏流而截止，此時若6腳無觸發(fā)輸入，則VTl7的Vces飽和壓降通過4.7kΩ電阻維持VTl3截止，使VTl7飽和穩(wěn)態(tài)不變，故輸出端3腳仍維持高電平。同時，VTl8的截止使VT6也截止。當(dāng)觸發(fā)信號加到6腳時，且電位高于⅔VDD時，則VTl、VT2、VT3皆導(dǎo)通。此時，若2腳無外加觸發(fā)信號使VT9、VTl4截止，則VT3的集電極電流供給VTl5偏流，使該級飽和導(dǎo)通，導(dǎo)致VTl7截止，進(jìn)而VTl8導(dǎo)通，VTl9、VT2。都截止，VT21飽和導(dǎo)通，故3腳輸出低電平。當(dāng)6腳的觸發(fā)信號消失后，即該腳電位降至低于⅔VDD時，則VTl、VT2、VT3皆截止，使VTl5得不到偏流。此時，若2腳仍無觸發(fā)信號，則VTl5通過4.7kΩ電阻得到偏流，使VTl5維持飽和導(dǎo)通，VTl7截止的穩(wěn)態(tài)，使3腳輸出端維持在低電平狀態(tài)。同時，VTl8的導(dǎo)通，使放電級VT6飽和導(dǎo)通。通過上面兩種狀態(tài)的分析，可以發(fā)現(xiàn)：只要2腳的電位低于⅓VDD，即有觸發(fā)信號加入時，必使輸出端3腳為高電平；而當(dāng)6腳的電位高于⅔VDD時，即有觸發(fā)信號加進(jìn)時，且同時2腳的電位高于⅓VDD時，才能使輸出端3腳有低電平輸出。4腳為復(fù)位端。當(dāng)在該腳加有觸發(fā)信號，即其電位低于導(dǎo)通的飽和壓降0.3V時，VT8導(dǎo)通，其發(fā)射極電位低于lV，因有D3接入，VTl7為截止?fàn)顟B(tài)，VTl8、VT21飽和導(dǎo)通，輸出端3腳為低電平。此時，不管2腳、6腳為何電位，均不能改變這種狀態(tài)。因VT8的發(fā)射極通過D3及VTl7的發(fā)射極到地，故VT8的發(fā)射極電位任何情況下不會比1.4V電壓高。因此，當(dāng)復(fù)位端4腳電位高于1.4V時，VT8處于反偏狀態(tài)而不起作用，也就是說，此時輸出端3腳的電平只取決于2腳、6腳的電位。
根據(jù)上面的分析，CA555時基電路的內(nèi)部等效電路可簡化為如圖所示的等效功能電路。顯然，555電路(或者專556電路)內(nèi)含兩個比較器A1和A2、一個觸發(fā)器、一個驅(qū)動器和一個放電晶體管。兩個比較器分別被電阻R1、R2和R3構(gòu)成的分壓器設(shè)定的⅔VDD和⅓VDD。參考電壓所限定。為進(jìn)一步理解其電路功能，并靈活應(yīng)用555集成塊，下面簡要說明其作用機理。從圖1—5可見，三個5kΩ電阻組成的分壓器，使內(nèi)部的兩個比較器構(gòu)成一個電平觸發(fā)器，上觸發(fā)電平為⅔VDD，下觸發(fā)電平為⅓VDD。在5腳控制端外接一個參考電源Vc，可以改變上、下觸發(fā)電平值。比較器Al的輸出同或非門l的輸入端相接，比較器A2的輸出端接到或非門2的輸入端。由于由兩個或非門組成的RS觸發(fā)器必須用負(fù)極極性信號觸發(fā)，因此，加到比較器Al同相端6腳的觸發(fā)信號，只有當(dāng)電位高于反相端5腳的電位時，R—S觸發(fā)器才翻轉(zhuǎn)；而加到比較器A2反相端2腳的觸發(fā)信號，只有當(dāng)電位低于A2同相端的電位⅓VDD時，R—S觸發(fā)器才翻轉(zhuǎn)。
通過上面對等效功能電路和CA555時基電路的內(nèi)部等效電路的分析，可得出555各功能端的真值表。

引腳 2 6 4 3 7
電平 ≤⅓ VDD * 1.4V 高電平 懸空狀態(tài)
電平 <⅓ VDD ≥⅔ VDD 1.4V 低電平 低電平
電平 <⅓ VDD >⅔ VDD 1.4V 保持電平 保持
電平 * * 0.3V 低電平 低電平

由表可看出，S、R、MR的輸入不一定是邏輯電平，可以是模擬電平，因此，該集成電路兼有模擬和數(shù)字電路的特色。

“叮咚”門鈴的制作：

 

555時基電路的分析和應(yīng)用

1  555時基電路的特點
    555集成電路開始是作定時器應(yīng)用的，所以叫做555定時器或555時基電路。但后來經(jīng)過開發(fā)，它除了作定時延時控制外，還可用于調(diào)光、調(diào)溫、調(diào)壓、調(diào)速等多種控制及計量檢測。此外，還可以組成脈沖振蕩、單穩(wěn)、雙穩(wěn)和脈沖調(diào)制電路，用于交流信號源、電源變換、頻率變換、脈沖調(diào)制等。由于它工作可靠、使用方便、價格低廉，目前被廣泛用于各種電子產(chǎn)品中，555集成電路內(nèi)部有幾十個元器件，有分壓器、比較器、基本R-S觸發(fā)器、放電管以及緩沖器等，電路比較復(fù)雜，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體，如圖1所示。
 
    圖1 555集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
    555集成電路是8腳封裝，雙列直插型，如圖2(A)所示，按輸入輸出的排列可看成如圖2(B)所示。其中6腳稱閾值端(TH)，是上比較器的輸入；2腳稱觸發(fā)端(TR)，是下比較器的輸入；3腳是輸出端(Vo)，它有O和1兩種狀態(tài)，由輸入端所加的電平?jīng)Q定；7腳是放電端(DIS)，它是內(nèi)部放電管的輸出，有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定；4腳是復(fù)位端(MR)，加上低電平時可使輸出為低電平；5腳是控制電壓端(Vc),可用它改變上下觸發(fā)電平值；8腳是電源端，1腳是地端。
 
    圖2 555集成電路封裝圖
    我們也可以把555電路等效成一個帶放電開關(guān)的R-S觸發(fā)器，如圖3(A)所示，這個特殊的觸發(fā)器有兩個輸入端：閾值端(TH)可看成是置零端R，要求高電平，觸發(fā)端(TR)可看成是置位端S，要求低電平，有一個輸出端Vo，Vo可等效成觸發(fā)器的Q端，放電端(DIS)可看成是由內(nèi)部放電開關(guān)控制的一個接點，由觸發(fā)器的Q端控制：Q=1時DIS端接地，Q=0時DIS端懸空。另外還有復(fù)位端MR，控制電壓端Vc，電源端VDD和
地端GND。這個特殊的觸發(fā)器有兩個特點：
(1)兩個輸入端的觸發(fā)電平要求一高一低，置零端R即閾值端(TH)要求高電平，而置位端s即觸發(fā)端(TR)則要求低電乎;
(2)兩個輸入端的觸發(fā)電平使輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)的閾值電壓值也不同，當(dāng)V c端不接控制電壓時，對TH(R)端來講，>2/3VDD是高電平1,<2/3VDD是低電平0：而對TR(S)端來講，>1/3VDD是高電平1，<1/3VDD是低電平0。如果在控制端(Vc)上控制電壓Vc時，這時上觸發(fā)電平就變成Vc值，下觸發(fā)電平就變成1/2Vc值，可  見改變控制端的控制電壓值就可以改變上下觸發(fā)電平值。它的功能表見圖3(B)所示。

 
圖3 555電路等效R—S觸發(fā)器
    555集成電路有雙極型和CMOS型兩種。CMOS型的優(yōu)點是功耗低、電源電壓低、輸入阻抗高，但輸出功率較小，輸出驅(qū)動電流只有幾毫安。雙極型的優(yōu)點是輸出功率大，驅(qū)動電流達(dá)200毫安，其他指標(biāo)則不如CMOS型的。

    555的應(yīng)用電路很多，只要改變555集成電路的外部附加電路，就可以構(gòu)成幾百種應(yīng)用電路，大體上可分為555單穩(wěn)、555雙穩(wěn)及555無穩(wěn)(即振蕩器)三類。

2  555單穩(wěn)電路
    單穩(wěn)電路有一個穩(wěn)態(tài)和一個暫穩(wěn)態(tài)，是利用電容的充放電形成暫穩(wěn)態(tài)的，因此它的輸入端都帶有定時電阻和定時電容，常見的555單穩(wěn)電路有兩種：
  1)人工啟動型
  將555電路的6、2腳并接起來接在RC定時電路上，在定時電容CT，兩端接按鈕開關(guān)SB，就成為人工啟動型555單穩(wěn)電路，如圖4(a)所示，用等效觸發(fā)器替代555，并略去與單穩(wěn)工作無關(guān)的部分后見圖4(b)所示，下面分析它的工作原理：
    穩(wěn)態(tài)：接上電源后，電容CT很快充電到VDD，從圖4(b)看到，觸發(fā)器輸入R=1，S=1，從功能表看到輸出Vo=0，這是它的穩(wěn)態(tài)。
    暫穩(wěn)態(tài)：按下開關(guān)SB，CT上電荷很快放到零，相當(dāng)于觸發(fā)器輸入R=0，S=0，輸出立即翻轉(zhuǎn)成Vo=l，暫穩(wěn)態(tài)開始。開關(guān)放開后，電源又向CT充電，經(jīng)過時間TD后，CT上電壓上升到>2/3VDD時，輸出又翻轉(zhuǎn)成Vo=O，暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。TD就是單穩(wěn)電路的定時時間或延時時間，它和定時電阻RT和定時電容CT的值有關(guān)：T_D=1.1R_TC_T。
 
    圖4人工啟動型555單穩(wěn)電路
    2)脈沖啟動型
    將555電路的6、7腳并接起來接在定時電容CT上，用2腳作輸入就成為脈沖啟動型單穩(wěn)電路，如圖5(a)所示，電路的2腳平時接高電平，當(dāng)輸入接低電平或輸入負(fù)脈沖時才啟動電路，用等效觸發(fā)器替代555后見圖5 6)所示，下面分析它的工作原理：
    穩(wěn)態(tài)：接上電源后，R=1，S=1，輸出Vo=0，DIS端接地，CT上的電壓為0即R=0，輸出仍保持Vo=0，這是它的穩(wěn)態(tài)。
    暫穩(wěn)態(tài)：輸入負(fù)脈沖后，輸入S=0，輸出立即翻轉(zhuǎn)成Vo=1，DIS端開路，電源通過RT向CT充電，暫穩(wěn)態(tài)開始。經(jīng)過時間TD后，CT上電壓上升到>2/3VDD時，輸入又成為R=1，S=1，這時負(fù)脈沖已經(jīng)消失，輸出又翻轉(zhuǎn)成Vo=0，暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。這時內(nèi)部放電開關(guān)接通，DIS端接地，CT上電荷很快放到零，為下一次定時控制作準(zhǔn)備。電路的定時時間T_D=1.1R_TC_T。
    這兩種單穩(wěn)電路常用作定時延時控制。
 
    圖5脈沖啟動型單穩(wěn)電路

3  555雙穩(wěn)電路
    常見的555雙穩(wěn)電路有兩種：
    1)R-S觸發(fā)器型雙穩(wěn)
    將555電路的6、2腳作為兩個控制輸入端，7端不用，就成為一個R-S觸發(fā)器。注意兩個輸入端的觸發(fā)電平和閾值電壓不同，如圖6(a)所示，有時可能只有一個控制端，這時另外一個控制端要設(shè)法接死，根據(jù)電路要求可以把R端接到電源端，如圖6(b)所示，也可以把S接地，用R端作輸入。
    有兩個輸入端的雙穩(wěn)電路常用作電機調(diào)速、電源上下限告警等用途。有一個輸入端的雙穩(wěn)電路作為單端比較器用于各種檢測電路。
 
    圖6 555構(gòu)成R-S觸發(fā)器
    2)施密特觸發(fā)器型雙穩(wěn)
    將555電路的6、2腳并接起來接成只有一個輸入端的觸發(fā)器，如圖7(a)所示，這個觸發(fā)器輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系是一個長方形的回線形，如圖7(b)所示，從曲線可知，當(dāng)輸入V1=0時輸出Vo=1，當(dāng)輸入電壓從0上升到>2/3VDD后，Vo翻轉(zhuǎn)成0，當(dāng)輸入電壓從最高值下降到<1/3VDD后，Vo又翻轉(zhuǎn)成1。由于它的輸入有兩個不同的閾值電壓，所以，這種電路常用于電子開關(guān)，各種控制電路、波形的變換和整形，如圖8所示。
 
圖7 555構(gòu)成施密特觸發(fā)器
 
圖8波形的變換和整形

4 555無穩(wěn)電路(振蕩器)
    由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器如圖9(a)所示，其工作波形見圖9(b)。
    接通電源后，電源VDD通過R1和R2對電容C充電，當(dāng)Uc<1/3VDD時，振蕩器輸出Vo=1，放電管截止。當(dāng)Uc充電到≥2/3VDD后，振蕩器輸出Vo翻轉(zhuǎn)成0，此時放電管導(dǎo)通，使放電端(DIS)接地，電容C通過R2對地放電，使Uc下降。當(dāng)Uc下降到≤1/3VDD后，振蕩器輸出Vo又翻轉(zhuǎn)成1，此時放電管又截止，使放電端(DIS)不接地，電源VDD通過R1和R2又對電容C充電，又使Uc從1/3VDD上升到2/3VDD,觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，從而在輸出端Vo得到連續(xù)變化的振蕩脈沖波形。脈沖寬度TL≈0.7R₂C，由電容C放電時間決定；TH=0.7(R1+R2)C，由電容C充電時間決定，脈沖周期T≈TH+TL。
 
    圖9 555構(gòu)成多諧振蕩器
    上面僅討論了由555定時器構(gòu)成的幾種典型應(yīng)用實例。實際上，由于555定時器靈敏度高，功能靈活，因而在電子電路中獲得廣泛應(yīng)用。