555時基電路原理與應用

555時基電路是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙結合在同一硅片上的組合集成電路。它設計新穎，構思奇巧，用途廣泛，備受電子專業設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，人們發現這種電路的應用遠遠超出原設計的使用范圍，用途之廣幾乎遍及電子應用的各個領域，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，使時基電路的應用從民用擴展到火箭、導彈,衛星,航天等高科技領域。在這期間，日本、西歐等各大公司和廠家也競相仿制、生產。盡管世界各大半導體或器件公司、廠家都在生產各自型號的555／556時基電路，但其內部電路大同小異，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集成塊的內部電路大同小異，下面我們以CA555為例分析其內部電路和原理。從CA555時基電路的內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。在電路設計時，要求組成分壓器的三個5kΩ電阻的阻值嚴格相等，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態觸發電路。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。雙穩態觸發電路的工作狀態由比較器A1、A2的輸出決定。
555時基電路的工作過程如下：當2腳，即比較器A2的反相輸入端加進電位低于⅓VDD的觸發信號時，則VT9、VTll導通，給雙穩態觸發器中的VTl4提供一偏流，使VTl4飽和導通，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導通，VT20完全飽和導通，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，由于雙穩態觸發器(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腳輸出高電平狀態一直保持到6腳出現高于⅓VDD的電平為止。當觸發信號消失后，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飽和穩態不變，故輸出端3腳仍維持高電平。同時，VTl8的截止使VT6也截止。當觸發信號加到6腳時，且電位高于⅔VDD時，則VTl、VT2、VT3皆導通。此時，若2腳無外加觸發信號使VT9、VTl4截止，則VT3的集電極電流供給VTl5偏流，使該級飽和導通，導致VTl7截止，進而VTl8導通，VTl9、VT2。都截止，VT21飽和導通，故3腳輸出低電平。當6腳的觸發信號消失后，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腳仍無觸發信號，則VTl5通過4.7kΩ電阻得到偏流，使VTl5維持飽和導通，VTl7截止的穩態，使3腳輸出端維持在低電平狀態。同時，VTl8的導通，使放電級VT6飽和導通。通過上面兩種狀態的分析，可以發現：只要2腳的電位低于⅓VDD，即有觸發信號加入時，必使輸出端3腳為高電平；而當6腳的電位高于⅔VDD時，即有觸發信號加進時，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腳為復位端。當在該腳加有觸發信號，即其電位低于導通的飽和壓降0.3V時，VT8導通，其發射極電位低于lV，因有D3接入，VTl7為截止狀態，VTl8、VT21飽和導通，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。因VT8的發射極通過D3及VTl7的發射極到地，故VT8的發射極電位任何情況下不會比1.4V電壓高。因此，當復位端4腳電位高于1.4V時，VT8處于反偏狀態而不起作用，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。
根據上面的分析，CA555時基電路的內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)內含兩個比較器A1和A2、一個觸發器、一個驅動器和一個放電晶體管。兩個比較器分別被電阻R1、R2和R3構成的分壓器設定的⅔VDD和⅓VDD。參考電壓所限定。為進一步理解其電路功能，并靈活應用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，使內部的兩個比較器構成一個電平觸發器，上觸發電平為⅔VDD，下觸發電平為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觸發器必須用負極極性信號觸發，因此，加到比較器Al同相端6腳的觸發信號，只有當電位高于反相端5腳的電位時，R—S觸發器才翻轉；而加到比較器A2反相端2腳的觸發信號，只有當電位低于A2同相端的電位⅓VDD時，R—S觸發器才翻轉。
通過上面對等效功能電路和CA555時基電路的內部等效電路的分析，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
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字電路的特色。

“叮咚”門鈴的制作：

 

555時基電路的分析和應用

1  555時基電路的特點
    555集成電路開始是作定時器應用的，所以叫做555定時器或555時基電路。但后來經過開發，它除了作定時延時控制外，還可用于調光、調溫、調壓、調速等多種控制及計量檢測。此外，還可以組成脈沖振蕩、單穩、雙穩和脈沖調制電路，用于交流信號源、電源變換、頻率變換、脈沖調制等。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品中，555集成電路內部有幾十個元器件，有分壓器、比較器、基本R-S觸發器、放電管以及緩沖器等，電路比較復雜，是模擬電路和數字電路的混合體，如圖1所示。
 
    圖1 555集成電路內部結構圖
    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，由輸入端所加的電平決定；7腳是放電端(DIS)，它是內部放電管的輸出，有懸空和接地兩種狀態，也是由輸入端的狀態決定；4腳是復位端(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的R-S觸發器，如圖3(A)所示，這個特殊的觸發器有兩個輸入端：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可等效成觸發器的Q端，放電端(DIS)可看成是由內部放電開關控制的一個接點，由觸發器的Q端控制：Q=1時DIS端接地，Q=0時DIS端懸空。另外還有復位端MR，控制電壓端Vc，電源端VDD和
地端GND。這個特殊的觸發器有兩個特點：
(1)兩個輸入端的觸發電平要求一高一低，置零端R即閾值端(TH)要求高電平，而置位端s即觸發端(TR)則要求低電乎;
(2)兩個輸入端的觸發電平使輸出發生翻轉的閾值電壓值也不同，當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，這時上觸發電平就變成Vc值，下觸發電平就變成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觸發器
    555集成電路有雙極型和CMOS型兩種。CMOS型的優點是功耗低、電源電壓低、輸入阻抗高，但輸出功率較小，輸出驅動電流只有幾毫安。雙極型的優點是輸出功率大，驅動電流達200毫安，其他指標則不如CMOS型的。

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

2  555單穩電路
    單穩電路有一個穩態和一個暫穩態，是利用電容的充放電形成暫穩態的，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SB，就成為人工啟動型555單穩電路，如圖4(a)所示，用等效觸發器替代555，并略去與單穩工作無關的部分后見圖4(b)所示，下面分析它的工作原理：
    穩態：接上電源后，電容CT很快充電到VDD，從圖4(b)看到，觸發器輸入R=1，S=1，從功能表看到輸出Vo=0，這是它的穩態。
    暫穩態：按下開關SB，CT上電荷很快放到零，相當于觸發器輸入R=0，S=0，輸出立即翻轉成Vo=l，暫穩態開始。開關放開后，電源又向CT充電，經過時間TD后，CT上電壓上升到>2/3VDD時，輸出又翻轉成Vo=O，暫穩態結束。TD就是單穩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：T_D=1.1R_TC_T。
 
    圖4人工啟動型555單穩電路
    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電路，如圖5(a)所示，電路的2腳平時接高電平，當輸入接低電平或輸入負脈沖時才啟動電路，用等效觸發器替代555后見圖5 6)所示，下面分析它的工作原理：
    穩態：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，這是它的穩態。
    暫穩態：輸入負脈沖后，輸入S=0，輸出立即翻轉成Vo=1，DIS端開路，電源通過RT向CT充電，暫穩態開始。經過時間TD后，CT上電壓上升到>2/3VDD時，輸入又成為R=1，S=1，這時負脈沖已經消失，輸出又翻轉成Vo=0，暫穩態結束。這時內部放電開關接通，DIS端接地，CT上電荷很快放到零，為下一次定時控制作準備。電路的定時時間T_D=1.1R_TC_T。
    這兩種單穩電路常用作定時延時控制。
 
    圖5脈沖啟動型單穩電路

3  555雙穩電路
    常見的555雙穩電路有兩種：
    1)R-S觸發器型雙穩
    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觸發器。注意兩個輸入端的觸發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法接死，根據電路要求可以把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電路常用作電機調速、電源上下限告警等用途。有一個輸入端的雙穩電路作為單端比較器用于各種檢測電路。
 
    圖6 555構成R-S觸發器
    2)施密特觸發器型雙穩
    將555電路的6、2腳并接起來接成只有一個輸入端的觸發器，如圖7(a)所示，這個觸發器輸出電壓和輸入電壓的關系是一個長方形的回線形，如圖7(b)所示，從曲線可知，當輸入V1=0時輸出Vo=1，當輸入電壓從0上升到>2/3VDD后，Vo翻轉成0，當輸入電壓從最高值下降到<1/3VDD后，Vo又翻轉成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，各種控制電路、波形的變換和整形，如圖8所示。
 
圖7 555構成施密特觸發器
 
圖8波形的變換和整形

4 555無穩電路(振蕩器)
    由555定時器構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Uc<1/3VDD時，振蕩器輸出Vo=1，放電管截止。當Uc充電到≥2/3VDD后，振蕩器輸出Vo翻轉成0，此時放電管導通，使放電端(DIS)接地，電容C通過R2對地放電，使Uc下降。當Uc下降到≤1/3VDD后，振蕩器輸出Vo又翻轉成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,觸發器又發生翻轉，如此周而復始，從而在輸出端Vo得到連續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構成多諧振蕩器
    上面僅討論了由555定時器構成的幾種典型應用實例。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用。