555时基集成电路原理及应用

1  555时基电路的特点
　　555集成电路开始是作定时器应用的，所以叫做555定时器或555时基电路。但后来经过开发，它除了作定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中，555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体，如图1所示。
 
    图1 555集成电路内部结构图
　　555集成电路是8脚封装，双列直插型，如图2(A)所示，按输入输出的排列可看成如图2(B)所示。其中6脚称阈值端(TH)，是上比较器的输入；2脚称触发端(TR)，是下比较器的输入；3脚是输出端(Vo)，它有O和1两种状态，由输入端所加的电平决定；7脚是放电端(DIS)，它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4脚是复位端(MR)，加上低电平时可使输出为低电平；5脚是控制电压端(Vc),可用它改变上下触发电平值；8脚是电源端，1脚是地端。
 
    图2 555集成电路封装图
　　我们也可以把555电路等效成一个带放电开关的R-S触发器，如图3(A)所示，这个特殊的触发器有两个输入端：阈值端(TH)可看成是置零端R，要求高电平，触发端(TR)可看成是置位端S，要求低电平，有一个输出端Vo，Vo可等效成触发器的Q端，放电端(DIS)可看成是由内部放电开关控制的一个接点，由触发器的Q端控制：Q=1时DIS端接地，Q=0时DIS端悬空。另外还有复位端MR，控制电压端Vc，电源端VDD和
地端GND。这个特殊的触发器有两个特点：
　　(1)两个输入端的触发电平要求一高一低，置零端R即阈值端(TH)要求高电平，而置位端s即触发端(TR)则要求低电乎;
　　(2)两个输入端的触发电平使输出发生翻转的阈值电压值也不同，当V c端不接控制电压时，对TH(R)端来讲，>2/3VDD是高电平1,<2/3VDD是低电平0：而对TR(S)端来讲，>1/3VDD是高电平1，<1/3VDD是低电平0。如果在控制端(Vc)上控制电压Vc时，这时上触发电平就变成Vc值，下触发电平就变成1/2Vc值，可  见改变控制端的控制电压值就可以改变上下触发电平值。它的功能表见图3(B)所示。

 
图3 555电路等效R—S触发器
　　555集成电路有双极型和CMOS型两种。CMOS型的优点是功耗低、电源电压低、输入阻抗高，但输出功率较小，输出驱动电流只有几毫安。双极型的优点是输出功率大，驱动电流达200毫安，其他指标则不如CMOS型的。

　　555的应用电路很多，只要改变555集成电路的外部附加电路，就可以构成几百种应用电路，大体上可分为555单稳、555双稳及555无稳(即振荡器)三类。

2  555单稳电路
　　单稳电路有一个稳态和一个暂稳态，是利用电容的充放电形成暂稳态的，因此它的输入端都带有定时电阻和定时电容，常见的555单稳电路有两种：
　　1)人工启动型
　　将555电路的6、2脚并接起来接在RC定时电路上，在定时电容CT，两端接按钮开关SB，就成为人工启动型555单稳电路，如图4(a)所示，用等效触发器替代555，并略去与单稳工作无关的部分后见图4(b)所示，下面分析它的工作原理：
　　稳态：接上电源后，电容CT很快充电到VDD，从图4(b)看到，触发器输入R=1，S=1，从功能表看到输出Vo=0，这是它的稳态。
　　暂稳态：按下开关SB，CT上电荷很快放到零，相当于触发器输入R=0，S=0，输出立即翻转成Vo=l，暂稳态开始。开关放开后，电源又向CT充电，经过时间TD后，CT上电压上升到>2/3VDD时，输出又翻转成Vo=O，暂稳态结束。TD就是单稳电路的定时时间或延时时间，它和定时电阻RT和定时电容CT的值有关：T_D=1.1R_TC_T。
 
    图4人工启动型555单稳电路
　　2)脉冲启动型
　　将555电路的6、7脚并接起来接在定时电容CT上，用2脚作输入就成为脉冲启动型单稳电路，如图5(a)所示，电路的2脚平时接高电平，当输入接低电平或输入负脉冲时才启动电路，用等效触发器替代555后见图5 6)所示，下面分析它的工作原理：
　　稳态：接上电源后，R=1，S=1，输出Vo=0，DIS端接地，CT上的电压为0即R=0，输出仍保持Vo=0，这是它的稳态。
　　暂稳态：输入负脉冲后，输入S=0，输出立即翻转成Vo=1，DIS端开路，电源通过RT向CT充电，暂稳态开始。经过时间TD后，CT上电压上升到>2/3VDD时，输入又成为R=1，S=1，这时负脉冲已经消失，输出又翻转成Vo=0，暂稳态结束。这时内部放电开关接通，DIS端接地，CT上电荷很快放到零，为下一次定时控制作准备。电路的定时时间T_D=1.1R_TC_T。
　　这两种单稳电路常用作定时延时控制。
 
    图5脉冲启动型单稳电路

3  555双稳电路
　　常见的555双稳电路有两种：
　　1)R-S触发器型双稳
　　将555电路的6、2脚作为两个控制输入端，7端不用，就成为一个R-S触发器。注意两个输入端的触发电平和阈值电压不同，如图6(a)所示，有时可能只有一个控制端，这时另外一个控制端要设法接死，根据电路要求可以把R端接到电源端，如图6(b)所示，也可以把S接地，用R端作输入。
　　有两个输入端的双稳电路常用作电机调速、电源上下限告警等用途。有一个输入端的双稳电路作为单端比较器用于各种检测电路。
 
    图6 555构成R-S触发器
　　2)施密特触发器型双稳
　　将555电路的6、2脚并接起来接成只有一个输入端的触发器，如图7(a)所示，这个触发器输出电压和输入电压的关系是一个长方形的回线形，如图7(b)所示，从曲线可知，当输入V1=0时输出Vo=1，当输入电压从0上升到>2/3VDD后，Vo翻转成0，当输入电压从最高值下降到<1/3VDD后，Vo又翻转成1。由于它的输入有两个不同的阈值电压，所以，这种电路常用于电子开关，各种控制电路、波形的变换和整形，如图8所示。
 
图7 555构成施密特触发器
 
图8波形的变换和整形

4 555无稳电路(振荡器)
　　由555定时器构成的多谐振荡器如图9(a)所示，其工作波形见图9(b)。
　　接通电源后，电源VDD通过R1和R2对电容C充电，当Uc<1/3VDD时，振荡器输出Vo=1，放电管截止。当Uc充电到≥2/3VDD后，振荡器输出Vo翻转成0，此时放电管导通，使放电端(DIS)接地，电容C通过R2对地放电，使Uc下降。当Uc下降到≤1/3VDD后，振荡器输出Vo又翻转成1，此时放电管又截止，使放电端(DIS)不接地，电源VDD通过R1和R2又对电容C充电，又使Uc从1/3VDD上升到2/3VDD,触发器又发生翻转，如此周而复始，从而在输出端Vo得到连续变化的振荡脉冲波形。脉冲宽度TL≈0.7R₂C，由电容C放电时间决定；TH=0.7(R1+R2)C，由电容C充电时间决定，脉冲周期T≈TH+TL。
 
    图9 555构成多谐振荡器
　　上面仅讨论了由555定时器构成的几种典型应用实例。实际上，由于555定时器灵敏度高，功能灵活，因而在电子电路中获得广泛应用。