555時基集成電路原理及應用

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。