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555定时器芯片内部电路分析

21ic电子网  · 公众号  · 半导体  · 2024-12-15 19:09

正文

555定时器芯片由于使用方便灵活，应用非常广泛。常用在波形的产生与变化、测量与控制等许多领域。
家用电器、电子玩具中都很常见，是非常经典的一款芯片。
究竟有多经典，甚至可以出它的手办模型。

由于广受市场欢迎，许多芯片公司都各自推出了555定时器芯片。
尽管产品型号繁多，芯片内部电路的实现不尽相同，但他们最终实现的功能和外部引脚的排列完全相同。
网上有很多555定时器做的应用电路，但是讲解都非常粗陋简略，可读性很差，比如这样的文章：

下面就以其中一款555定时器芯片为例，分析芯片的内部电路，讲解其工作原理。
只要了解了芯片的工作原理，看各种芯片的应用电路时就会得心应手。
 -------------------
目录：
一、芯片引脚定义
二、芯片内部结构
三、等效图组成说明
四、等效图各功能区分析：分压电路 + 电压比较器
五、等效图各功能区分析：RS触发器
六、等效图各功能区分析：电压比较器 + RS触发器
七、等效图各功能区分析：555定时器芯片的PIN5（第5脚）
八、等效图各功能区分析：555定时器芯片的PIN3（第3脚）
九、等效图各功能区分析：555定时器芯片的PIN4（第4脚）、PIN7（第7脚）
十、最后
 ------------------- 

一、芯片引脚定义
555定时器有8个脚，各脚定义如下。

各脚的详细定义见下表。（英文名称均为缩写）

 
二、芯片内部结构
打开555定时器的数据手册，可以看到芯片的内部电路。

 用不同颜色划分一下电路的功能区块。

包括：
  1. Threshold Comparator(门限比较器，就是个电压比较器)
  2. Trigger Comparator(触发比较器，就是个电压比较器)
  3. Voltage Divider(分压电路)
  4. Flip-Flop(触发器，这里也叫RS触发器、复位/置位触发器、SR锁存器)
  5. Output(输出电路)
  6. Discharge(放电电路)
看起来有点复杂，等效简化为下图后就一目了然啦。

 
三、等效图组成说明
C1和C2就是两个电压比较器，即上文提到过的Threshold Comparator(门限比较器)和Trigger Comparator(触发比较器)。

 Flip-Flop(触发器)，这里又叫RS触发器。

输出脚有个反相器。能将输入的低电平反相为高电平输出，同样能将输入的高电平反相为低电平输出。（高电平可以简单理解为电压接近电源电压Vcc，低电平可以简单理解为电压接近0）

Reset(复位)和Discharge(放电)：
PIN4为输入引脚，为低电平时整个芯片处于复位状态，芯片不可用。
PIN7是放电引脚，用来给外部电路放电。

Voltage Divider(分压电路)。


四、等效图各功能区分析：分压电路 + 电压比较器
3个5kΩ电阻将Vcc电压三等分。
2/3Vcc输入到电压比较器C1的反向输入端。
1/3Vcc输入到电压比较器C2的正向输入端。

Vcc电压的范围，需要查看芯片的数据手册，这里的数据手册标示为5V到15V。

假设Vcc为9V时，2/3Vcc = 6V，1/3Vcc = 3V。

对于电压比较器来说，当"正向输入端的V1" > "反向输入端的V2”时，输出Vout = High高电平。

当"正向输入端的V1" < "反向输入端的V2”时，输出Vout = Low低电平。

所以当555定时器第6脚为7V时，电压比较器C1的"同相输入端(7V)" > "反向输入端(6V)"，电压比较器C1输出HIGH高电平。

当555定时器第6脚为0V时，电压比较器C1的"同相输入端(0V)" < "反向输入端(6V)"，电压比较器C1输出LOW低电平。


五、等效图各功能区分析：RS触发器
电压比较器C1、C2将电压比较的结果输出给RS触发器。

RS触发器有两个输入脚，分别为R和S：
R代表Reset（复位）;
S代表Set（置位）。
RS触发器两个输出脚，分别为Q和非Q（“非Q”的符号是在Q的上面有一个横杠）：Q和非Q的电平，在一般情况下互为相反，即Q为高电平，那么非Q为低电平。

其内部是由两个“或非门”组成。

在下面我们将看到在RS触发器定义里的三个特性。
特性1：S、R为高电平有效。即S为高电平，就会把Q置位为1；R为高电平，就会把Q复位为0。
特性2：S、R同时为低电平时，Q和非Q将保持原来的状态不变。
特性3：S和R不能同时为高电平。这是RS触发器的定义规定的，但实际在555定时器的应用里，是可能出现其内部RS触发器的S和R同时为高电平的这种情况，稍后将展开讨论。
来看RS触发器的输入输出关系：
1、当S、R分别输入为HIGH、LOW时，Q被置位为HIGH，与之对应非Q为LOW。（特性1）

2、此时将S、R分别改为输入LOW、LOW时，Q、非Q将保持原来的状态，即仍为HIGH、LOW。（特性2）

3、当S、R分别输入为LOW、HIGH时，Q被复位为LOW，与之对应非Q为HIGH。（特性1）

4、此时将S、R分别改为输入LOW、LOW时，Q、非Q将保持原来的状态，即仍为LOW、HIGH。（特性2）

5、当S、R分别输入为HIGH、HIGH时，Q和非Q均为LOW。（见特性3，此为RS触发器定义里禁止出现的状态，可以看出此时Q和非Q的状态也不是相反的了，变成了相同的LOW）

为什么在RS触发器的定义里，要禁止出现这种状态呢？因为S、R同时为HIGH时，后续如果S、R是都变成LOW，那么由于S、R在都变成LOW的过程中，时间先后上总有细微的误差，S、R可能先变成LOW、HIGH，也可能先变成HIGH、LOW，这导致Q和非Q的状态不能确定。
当S比R先变成LOW时，最终Q和非Q分别为LOW、HIGH：

当R比S先变成LOW时，最终Q和非Q分别为HIGH、LOW：

所以在分析555定时器内部电路时，要谨记RS触发器的S、R为HIGH、HIGH时，避免下一步就变为LOW、LOW。
另外，由于555定时器里面只使用了非Q，没有使用Q，所以我们只看非Q就好了。


六、等效图各功能区分析：电压比较器 + RS触发器
1、PIN6、PIN2分别输入0V、0V时：

①、电压比较器C1比较两个输入端的电压，最后输出Low到RS触发器的R端。
②、电压比较器C2比较两个输入端的电压，最后输出High到RS触发器的S端。
③、R、S分别为Low、High，RS触发器最终在非Q端输出Low。
2、PIN6、PIN2分别输入0V、9V时：

①、电压比较器C1比较两个输入端的电压，最后输出Low到RS触发器的R端。
②、电压比较器C2比较两个输入端的电压，最后输出Low到RS触发器的S端。
③、R、S分别为Low、Low，RS触发器最终在非Q端输出Low，即保持原来的状态。
3、PIN6、PIN2分别输入9V、9V时：

①、电压比较器C1比较两个输入端的电压，最后输出High到RS触发器的R端。
②、电压比较器C2比较两个输入端的电压，最后输出Low到RS触发器的S端。
③、R、S分别为High、Low，RS触发器最终在非Q端输出High。
4、PIN6、PIN2分别输入9V、0V时：

①、电压比较器C1比较两个输入端的电压，最后输出High到RS触发器的R端。
②、电压比较器C2比较两个输入端的电压，最后输出High到RS触发器的S端。
③、R、S分别为High、High，RS触发器最终在非Q端输出Low。（如前所述，这里要注意避免R、S在下一步是变为LOW、LOW）
 
七、等效图各功能区分析：555定时器芯片的PIN5（第5脚）
555定时器的PIN5是控制阈值电压脚。
PIN5接到电压比较器C1的反向输入端，可以让人直接控制电压比较器C1的阈值电压。


八、等效图各功能区分析：555定时器芯片的PIN3（第3脚）
555定时器的PIN3是芯片的输出脚。
PIN3和RS触发器的非Q之间有1个反相器。
当非Q输出HIGH时，PIN3输出LOW，两者为反相关系。


九、等效图各功能区分析：555定时器芯片的PIN4（第4脚）、PIN7（第7脚）
555定时器的PIN4是芯片的复位脚。当PIN4被接到低电平时，整个555定时器芯片被复位，PIN3将输出LOW。（图中三极管Q2的发射限流电阻未画出）
555定时器的PIN7是芯片的放电引脚。对外放电时，内部三极管Q1导通。（图中三极管Q1的基极限流电阻未画出）


十、最后
555定时器芯片的输入输出特性功能表总结如下，分为5种状态，后续在分析555定时器的应用电路时可借助该表进行分析：

注：在“状态5”时，下一步不能变成“状态3”，否则将导致输出结果不能确定。
至此，555定时器芯片内部电路的分析到此完毕，是不是感觉有点意犹未尽？
那是因为本文仅仅对芯片内部的电路做了分析，没有对芯片的应用电路做实例分析。所谓的空有内功心法，但是没有练过一招一式。
后续看到各种不同厂家生产的555定时器芯片所做成的应用电路时，可以参考本文讲解的芯片工作原理，多看多分析，积累越来越多的招式。
本文有点长，建议收藏，随时查阅。

END




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