555時(shí)基集成電路原理及應(yīng)用

1  555時(shí)基電路的特點(diǎn)
　　555集成電路開始是作定時(shí)器應(yīng)用的，所以叫做555定時(shí)器或555時(shí)基電路。但后來經(jīng)過開發(fā)，它除了作定時(shí)延時(shí)控制外，還可用于調(diào)光、調(diào)溫、調(diào)壓、調(diào)速等多種控制及計(jì)量檢測(cè)。此外，還可以組成脈沖振蕩、單穩(wěn)、雙穩(wěn)和脈沖調(diào)制電路，用于交流信號(hào)源、電源變換、頻率變換、脈沖調(diào)制等。由于它工作可靠、使用方便、價(jià)格低廉，目前被廣泛用于各種電子產(chǎn)品中，555集成電路內(nèi)部有幾十個(gè)元器件，有分壓器、比較器、基本R-S觸發(fā)器、放電管以及緩沖器等，電路比較復(fù)雜，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體，如圖1所示。
 
    圖1 555集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(fā)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(tài)，由輸入端所加的電平?jīng)Q定；7腳是放電端(DIS)，它是內(nèi)部放電管的輸出，有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定；4腳是復(fù)位端(MR)，加上低電平時(shí)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(fā)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(gè)帶放電開關(guān)的R-S觸發(fā)器，如圖3(A)所示，這個(gè)特殊的觸發(fā)器有兩個(gè)輸入端：閾值端(TH)可看成是置零端R，要求高電平，觸發(fā)端(TR)可看成是置位端S，要求低電平，有一個(gè)輸出端Vo，Vo可等效成觸發(fā)器的Q端，放電端(DIS)可看成是由內(nèi)部放電開關(guān)控制的一個(gè)接點(diǎn)，由觸發(fā)器的Q端控制：Q=1時(shí)DIS端接地，Q=0時(shí)DIS端懸空。另外還有復(fù)位端MR，控制電壓端Vc，電源端VDD和
地端GND。這個(gè)特殊的觸發(fā)器有兩個(gè)特點(diǎn)：
　　(1)兩個(gè)輸入端的觸發(fā)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(fā)端(TR)則要求低電乎;
　　(2)兩個(gè)輸入端的觸發(fā)電平使輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)的閾值電壓值也不同，當(dāng)V c端不接控制電壓時(shí)，對(duì)TH(R)端來講，>2/3VDD是高電平1,<2/3VDD是低電平0：而對(duì)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(shí)，這時(shí)上觸發(fā)電平就變成Vc值，下觸發(fā)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(fā)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(fā)器
　　555集成電路有雙極型和CMOS型兩種。CMOS型的優(yōu)點(diǎn)是功耗低、電源電壓低、輸入阻抗高，但輸出功率較小，輸出驅(qū)動(dòng)電流只有幾毫安。雙極型的優(yōu)點(diǎn)是輸出功率大，驅(qū)動(dòng)電流達(dá)200毫安，其他指標(biāo)則不如CMOS型的。

　　555的應(yīng)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(gòu)成幾百種應(yīng)用電路，大體上可分為555單穩(wěn)、555雙穩(wěn)及555無穩(wěn)(即振蕩器)三類。

2  555單穩(wěn)電路
　　單穩(wěn)電路有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，是利用電容的充放電形成暫穩(wěn)態(tài)的，因此它的輸入端都帶有定時(shí)電阻和定時(shí)電容，常見的555單穩(wěn)電路有兩種：
　　1)人工啟動(dòng)型
　　將555電路的6、2腳并接起來接在RC定時(shí)電路上，在定時(shí)電容CT，兩端接按鈕開關(guān)SB，就成為人工啟動(dòng)型555單穩(wěn)電路，如圖4(a)所示，用等效觸發(fā)器替代555，并略去與單穩(wěn)工作無關(guān)的部分后見圖4(b)所示，下面分析它的工作原理：
　　穩(wěn)態(tài)：接上電源后，電容CT很快充電到VDD，從圖4(b)看到，觸發(fā)器輸入R=1，S=1，從功能表看到輸出Vo=0，這是它的穩(wěn)態(tài)。
　　暫穩(wěn)態(tài)：按下開關(guān)SB，CT上電荷很快放到零，相當(dāng)于觸發(fā)器輸入R=0，S=0，輸出立即翻轉(zhuǎn)成Vo=l，暫穩(wěn)態(tài)開始。開關(guān)放開后，電源又向CT充電，經(jīng)過時(shí)間TD后，CT上電壓上升到>2/3VDD時(shí)，輸出又翻轉(zhuǎn)成Vo=O，暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。TD就是單穩(wěn)電路的定時(shí)時(shí)間或延時(shí)時(shí)間，它和定時(shí)電阻RT和定時(shí)電容CT的值有關(guān)：T_D=1.1R_TC_T。
 
    圖4人工啟動(dòng)型555單穩(wěn)電路
　　2)脈沖啟動(dòng)型
　　將555電路的6、7腳并接起來接在定時(shí)電容CT上，用2腳作輸入就成為脈沖啟動(dòng)型單穩(wěn)電路，如圖5(a)所示，電路的2腳平時(shí)接高電平，當(dāng)輸入接低電平或輸入負(fù)脈沖時(shí)才啟動(dòng)電路，用等效觸發(fā)器替代555后見圖5 6)所示，下面分析它的工作原理：
　　穩(wěn)態(tài)：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(wěn)態(tài)。
　　暫穩(wěn)態(tài)：輸入負(fù)脈沖后，輸入S=0，輸出立即翻轉(zhuǎn)成Vo=1，DIS端開路，電源通過RT向CT充電，暫穩(wěn)態(tài)開始。經(jīng)過時(shí)間TD后，CT上電壓上升到>2/3VDD時(shí)，輸入又成為R=1，S=1，這時(shí)負(fù)脈沖已經(jīng)消失，輸出又翻轉(zhuǎn)成Vo=0，暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束。這時(shí)內(nèi)部放電開關(guān)接通，DIS端接地，CT上電荷很快放到零，為下一次定時(shí)控制作準(zhǔn)備。電路的定時(shí)時(shí)間T_D=1.1R_TC_T。
　　這兩種單穩(wěn)電路常用作定時(shí)延時(shí)控制。
 
    圖5脈沖啟動(dòng)型單穩(wěn)電路

3  555雙穩(wěn)電路
　　常見的555雙穩(wěn)電路有兩種：
　　1)R-S觸發(fā)器型雙穩(wěn)
　　將555電路的6、2腳作為兩個(gè)控制輸入端，7端不用，就成為一個(gè)R-S觸發(fā)器。注意兩個(gè)輸入端的觸發(fā)電平和閾值電壓不同，如圖6(a)所示，有時(shí)可能只有一個(gè)控制端，這時(shí)另外一個(gè)控制端要設(shè)法接死，根據(jù)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(gè)輸入端的雙穩(wěn)電路常用作電機(jī)調(diào)速、電源上下限告警等用途。有一個(gè)輸入端的雙穩(wěn)電路作為單端比較器用于各種檢測(cè)電路。
 
    圖6 555構(gòu)成R-S觸發(fā)器
　　2)施密特觸發(fā)器型雙穩(wěn)
　　將555電路的6、2腳并接起來接成只有一個(gè)輸入端的觸發(fā)器，如圖7(a)所示，這個(gè)觸發(fā)器輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系是一個(gè)長(zhǎng)方形的回線形，如圖7(b)所示，從曲線可知，當(dāng)輸入V1=0時(shí)輸出Vo=1，當(dāng)輸入電壓從0上升到>2/3VDD后，Vo翻轉(zhuǎn)成0，當(dāng)輸入電壓從最高值下降到<1/3VDD后，Vo又翻轉(zhuǎn)成1。由于它的輸入有兩個(gè)不同的閾值電壓，所以，這種電路常用于電子開關(guān)，各種控制電路、波形的變換和整形，如圖8所示。
 
圖7 555構(gòu)成施密特觸發(fā)器
 
圖8波形的變換和整形

4 555無穩(wěn)電路(振蕩器)
　　由555定時(shí)器構(gòu)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(duì)電容C充電，當(dāng)Uc<1/3VDD時(shí)，振蕩器輸出Vo=1，放電管截止。當(dāng)Uc充電到≥2/3VDD后，振蕩器輸出Vo翻轉(zhuǎn)成0，此時(shí)放電管導(dǎo)通，使放電端(DIS)接地，電容C通過R2對(duì)地放電，使Uc下降。當(dāng)Uc下降到≤1/3VDD后，振蕩器輸出Vo又翻轉(zhuǎn)成1，此時(shí)放電管又截止，使放電端(DIS)不接地，電源VDD通過R1和R2又對(duì)電容C充電，又使Uc從1/3VDD上升到2/3VDD,觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，從而在輸出端Vo得到連續(xù)變化的振蕩脈沖波形。脈沖寬度TL≈0.7R₂C，由電容C放電時(shí)間決定；TH=0.7(R1+R2)C，由電容C充電時(shí)間決定，脈沖周期T≈TH+TL。
 
    圖9 555構(gòu)成多諧振蕩器
　　上面僅討論了由555定時(shí)器構(gòu)成的幾種典型應(yīng)用實(shí)例。實(shí)際上，由于555定時(shí)器靈敏度高，功能靈活，因而在電子電路中獲得廣泛應(yīng)用。