555时基集成电路的由来与特点

如果要电子爱好者进入平时最常见、应用最广泛的集成电路做个排名，那么大名鼎鼎的时基集成电路肯定是首屈一指的了。我作为一名业余电子爱好者，不光对分析电路和实际制作有着浓厚的兴趣，对它们的发展历史和围绕着它们引发的故事也同样有着强烈的好奇。下文是我搜集整理的围绕着555时基集成电路从诞生到现在发生的一系列故事，与大家共赏。
　　555时基集成电路是一个进入模拟电路和数字电路组合而成的混合电路，它将模拟功能与逻辑功能整合在一片独立的集成电路上，极大的拓宽了模拟集成电路的应用范围。555被广泛用于各种各样的计时器，脉冲发生器和振荡器等场合。凭借着模数结合的优势，555可以独立构成多种功能电路，且精度非常高，能够产生精确的时间延迟和振荡。时基集成电路的设计构想是在1970年由Hans R.Camenzind和Jim Ball提出的。设计原型经过测试，被移植到Monochip模拟阵列，由Wayne Foletta和Qualidyne Semiconductors的工程师们进行具体设计。事后，Signetics公司接管了他们的设计并开始投入生产，正式量产的第一批555集成电路于1971年面世。根据应用范围又进入555按编号细分为两个级别：商用级的NE555，温度范围0℃～+70℃和军用级的SE555，温度范围-55℃～+125℃。555时基集成电路的封装分为两种形式：高可靠性的金属罐式8脚封装（T封装）和低成本的环氧塑料8脚双列直插式封装（V封装）。封装号后缀在元件编号后面，因此Signetics公司生产的555按全编号分别为NE555V、NE555T、SE555V和SE555T。这些元件编号对于业余应用来说，可以不必太过深究，但是若要进入元件用在重要场合，从设计的环节就需要仔细考虑了。
　　一、555的由来
　　555名称的由来，按照很多技术文章的说法，555时基集成电路的3个“5”，是源自它电路基片上的三个误差极小的5kΩ电阻构成的基准电压电路。555的等效电路图如图1所示，从图1中可以清晰的看到R7、R8、R9这三只5kΩ的基准电阻，以串联的方式接在电源正极与地之间。但是它的设计者Hans R.Camenzind曾明确表示，这个数字完全是随机得来的，设计者本人也没有给他设计的这个电路起过名字。事实上，它只是碰巧被生产它的Signetics公司编入了它们的5-X-X系列线性器件家族中，第一个5代表Signetics公司的5系列线性器件一族，后面两个5则是顺延的元件编号。Signetics公司后来被Philips公司收购，但是Philips和之后的其他各家芯片制造商都无例外地在它们的元件编号中保留了“555”这三个数字。

　　根据各家制造商生产工艺的不同，标准的555时基集成电路在其硅芯片上包含有20个左右的晶体管、2个二极管和15个电阻。常见的555为塑封8脚双列直插式封装，这个封装的英文缩写为DIP8。555的引脚排列如下图2，芯片为引脚朝下，自缺口处逆时针起为1～8脚。此外，555还有两个扩展型号：二合一的14脚双列直插塑封双时基集成电路556；四合一的16脚双列直插塑封四时基集成电路558。

　　对照图1的等效电路，标准555时基集成电路的8个引脚名称见图2，各自的用途如下。
　　1.GND，电源地或低电平0V。通常被连接到电路的公共同地。
　　2.TRIG，触发555使其启动的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3VCC 。
　　3.OUT，在555被触发的时间周期里，该输出脚电平移至比电源电压少1.7V的高电平。周期结束以后，电平回复到OV左右的低电平。高电平时，该脚最大输出电流约为200mA。
　　4.RESET，低电平有效的复位脚，当一个低逻辑电平送至这个脚时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。
　　5.CTRL，这个引脚准许由外部电压改变芯片的触发和闸限电压。在555的单稳态或振荡模式下，可以通过该脚来改变或调整输出频率。
　　6.THR，阈值高于2/3VCC，使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。
　　7.DIS，这个引脚和OUT引脚有着相同的低电平电流输出能力，当输出为高电平时，其对地为高阻抗；当输出为低电平时，其对地为低阻抗。
　　8.Vcc, 555的正电源电压端。标准电压范围为4.5～16V。
　　注意：四时基集成电路558内部的四组DIS和THR是连接工作的，它的TRIG下降沿也比555和556敏感。具体电气参数需查看对应生产商的数据手册。
　　Signetics公司生产的标准塑封NE555，电气指标如表1所示。其他芯片制造商生产的555时基集成电路根据应用场合和各家的生产工艺，可能会有一些差异。此外还有555的低功耗CMOS版本，7555等。

　　二、555的特点
　　555时基集成电路电路的特点主要体现在以下几个方面。
　　1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
　　2.电源适应范围大，它的输出电平及输入触发电平，可与TTL，CMOS等逻辑电路的高、低电平匹配。也可以和模拟运算放大器、运算放大器共同组成某些功能和特性不同的模块电路。
　在计算机诞生的早期，NE555曾被用于苹果Ⅱ型和IBM计算机的输入设备。还有一个鲜为人知的故事，在20世纪70年代，555刚诞生的时候，曾被黑客用来破解早期的电信系统的长途电话交换机BLUE BOX。由此也可以看出这块小芯片的威力。
　　3.输出电流大，可直接推动小喇叭、电机、继电器等多种负载。非常适合用在自动控制电路中。
　　4.计时精确度高、温度稳定度佳，价格便宜。
　　由于555时基集成电路使用方便，价格低廉，稳定性好。自其诞生之日起，直至今日，虽然已经过了40个年头，但是这片集成电路仍然在各种场合被广泛的使用着。保守估计，全球各家芯片制造商每年制造的555集成电路大概在1亿片左右。
　　NE555有三种工作模式：
　　1.单稳态模式。在这种模式下，555作为“一次性”脉冲发生器使用。应用范围包括计时器、脉冲丢失检测、触摸开关、分频器、电容测量、脉冲宽度调制、速率检测等。
　　2.非稳态模式。用途包括LED和灯闪光灯，脉冲生成，逻辑时钟，安全报警，脉冲位置调制等。
　　3.双稳态模式或施密特触发器模式。如果DIS脚悬空，555可作为触发器使用。用途包括比较器、锁存器、反相器、方波输出及整形等。
　　三、各家生产的555时基集成电路
　　表2总结了各大芯片制造商生产的众多型号，引脚兼容的555时基集成电路，包括CMOS版本，方便电子爱好者查阅。

　　现在网上常见的555时基集成电路是8脚塑封双列直插（见图3）或8脚贴片式NE555，价格在0.5元~1.0左右，完全满足业余电子制作的要求。

　　后一篇文章，我将展示NE555的一个另类玩法，用一片555和两只红外线接收管制作一部低技术的寻光机器人。感兴趣的朋友可以接着往下看。