555定時器芯片是如何工作的？

一、555定時器芯片概述

說到振蕩器，不得不提555定時器芯片。它可以用于定時、觸發(fā)、脈沖產(chǎn)生和振蕩電路，所有和時鐘相關(guān)的領(lǐng)域都可以考慮采用。

由于其易用性、低廉的價格和良好的可靠性，這顆芯片在業(yè)內(nèi)很流行，成為很多學(xué)生、創(chuàng)客在電子DIY制作中熱愛的經(jīng)典IC。

Lowe Doug在“Electronics All-in-One For Dummies”書中說道，555芯片從1971年推出，已成為世界上年產(chǎn)量最高的芯片之一，根據(jù)2003～2017年的統(tǒng)計，基本上年產(chǎn)量都高達10億顆！

你熟悉的許多廠家都生產(chǎn)555芯片，如TI、NI、ST。不同的制造商生產(chǎn)的555芯片有不同的結(jié)構(gòu)或工藝，以滿足特定的功耗、工作條件需求：

圖2-NE555/TLC555/LM555等型號來源

二、555定時器的引腳

標準的555芯片是DIP-8封裝，其引腳如下：

圖3-555芯片DIP-8封裝

引腳說明如下：

圖4-555芯片引腳定義

對于剛上手的同學(xué)，主要是搞明白TRIG、THR、DIS三個引腳的用法，為此，我們從555芯片的內(nèi)部構(gòu)造說起。

三、555定時器的內(nèi)部構(gòu)造

標準的555內(nèi)部由25個晶體管，2個二極管、15個電阻組成，其芯片內(nèi)電路原理圖如下：

圖5-555芯片內(nèi)部電路原理圖

直接分析上圖難度頗高，我們將其劃分為多個基本的功能模塊，理解起來就會容易很多：

圖6-555芯片內(nèi)部功能框圖

可見，555芯片內(nèi)部有：

• 3個5KΩ電阻連接Vcc和GND，構(gòu)建Vcc 1/3和2/3的分壓。（PS：很多人認為555芯片因為這三個5KΩ電阻而得名）
• 2個比較器C1和C2，上述兩個分壓分別作為比較器的參考電壓。
• 1個RS觸發(fā)器，R和S信號分別源自于上述兩個比較器的輸出信號。
• 2個三極管，其中，Q1集電極開路，用于連接電容。
• 1個反向器，RS觸發(fā)器的輸出端（非Q）經(jīng)過反向器作為芯片輸出。

首先來看“比較器”，它的工作原理很簡單：

• 當正相（﹢）輸入端的電壓大于反相（-）輸入端的電壓，比較器的輸出為正；
• 當正相（﹢）輸入端的電壓小于反相（-）輸入端的電壓，比較器的輸出為負；

然后來看“RS觸發(fā)器”：

• R指Reset（重置）的意思，S指Set（設(shè)置）的意思；
• 當R為高電平、S為低電平時，Q為低電平，NQ（非Q）為高電平；
• 當R為低電平、S為高電平時，Q為高電平，NQ（非Q）為低電平；
• 當R為低電平、S為低電平時，Q和NQ（非Q）保持；
• 當R為高電平、S為高電平時，Q和NQ（非Q）無效；

考慮到兩個比較器C1、C2分別連接著TRIG（Trigger）、THR（Threshold）兩個引腳，那么根據(jù)兩個引腳的狀況，RS觸發(fā)器輸出有：

圖7-RS觸發(fā)器真值表

譬如圖中，當THR（Threshold）為0V，TRIG（Trigger）為0V，則C1輸出低電平，C2輸出高電平，故RS觸發(fā)器置位，Q為高電平，NQ（非Q）為低電平。

OK，理解到這步就簡單了，如果要產(chǎn)生振蕩波形，就是和控制TRIG（Trigger）、THR（Threshold）引腳，怎么控制？肯定要引入電容啊。

四、555定時器作為非穩(wěn)態(tài)振蕩器

以555定時器作為非穩(wěn)態(tài)振蕩器（上篇所述的弛張振蕩器）為例，它的外圍電路配置如下：

圖8-555非穩(wěn)態(tài)振蕩器電路圖

上圖中：

• TRIG（Trigger）、THR（Threshold）共同連接到C1。
• Vcc通過R1和R2可以對C1充電。
• NQ（非Q）為高電平，三極管導(dǎo)通，DIS（Discharge）引腳接地，C1通過R2進行放電。

這種巧妙的設(shè)計，會讓電容產(chǎn)生周期充放電，繼而TRIG（Trigger）、THR（Threshold）產(chǎn)生周期性變化，并控制了555芯片的輸出（見上圖時序圖）。

振蕩波形頻率為F=1.4/((R1+2*R2)*C1).

我們來看下仿真效果：

圖9-555芯片仿真效果

由于555芯片輸出端具有200mA的驅(qū)動能力，驅(qū)動LED沒什么問題，實驗效果如下：

圖10-555芯片LED點燈閃爍