Ne555 схема включения

Эти устройства предназначены для работы в прецизионных времязадающих цепях и могут производить точные временные задержки или колебания. В режиме временной задержки или в моностабильном режиме временной интервал задается одним внешним резистором или конденсатором. Эти уровни могут быть изменены, путем изменения напряжения на выводе управления. Выходная цепь способна поддерживать ток до мА. Может работать с напряжением питания от 5 В до 15 В.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Подробное описание, применение и схемы включения таймера NE555
• Генератор электрических импульсов на таймере 555
• Схемы NE555
• Как работает таймер 555. Таймер на микросхеме NE555 (включения и выключения)
• Разнообразие простых схем на NE555
• Примеры применение таймера NE555
• Микросхема 555: Собираем 5 гаджетов на базе микросхемы 555
• Таймер включения своими руками схема на ne555
• Легендарный таймер NE555 – описание и применение микросхемы

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Реле времени (NE555) как работает, как подключать 220В нагрузку

Подробное описание, применение и схемы включения таймера NE555

А Вы знаете, что из-за отличия вольт-амперных характеристик, диоды параллельно не включаются? Иначе, ввиду более раннего открытия, через одни диоды будет течь почти весь ток привет товарищу Кирхгофу , а через другие ток течь не будет, или разница в токах будет существенной, что приведет к ускоренному выходу из строя диодов с более ранним отпиранием.

Для параллельного включения диодов требуется последовательно с каждым диодом включить резистор.

Вы абсолютно правы, данная схема не совсем корректна. Действительно, нужны токозадающие резисторы для каждого светодиода в отдельности, обязательно поправим! Не могу не согласиться , что данная микросхема очень хорошая вещь. Однако плохо то, что данные импульсы подаются на том напряжении, которое получают, а это не есть гуд. Мне нужно сбросить вольтаж с 12 до вольт с импульсом 1 грц.

С уважением! Олег Якут. Микросхема тут ни при чём. Если вам нужно делать импульсы с амплитудой 9 вольт — следует понизить напряжение в отдельной цепи, например, с помощью линейного стабилизатора напряжения.

Затем, выход таймера соединить с затвором полевого транзистора, который будет коммутировать 9 вольт на вашу нагрузку. Ваш e-mail не будет опубликован. Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев. То есть это такое событие в цепи, при котором напряжение резко повышается в несколько раз, а затем так же резко падает к исходной величине. Самый понятный пример — электрический импульс, заставляющий наше сердце биться.

Самое же большое количество импульсов возникает у нас в нервных клетках головного и спинного мозга. Мы мыслим и решаем уроки благодаря электрическим импульсам! А что в электронике? В электронике импульсы применяются повсеместно. Например, в микроконтроллерах или даже в полноценных процессорах домашнего компьютера электрические импульсы задают ритм его работы.

Они еще называются тактовыми, или синхро-импульсами. Порой быстродействие вычислительных машин сравнивают именно при помощи значений тактовой частоты. Наш интернет, проводной и беспроводной, сотовая связь и даже пульт от телевизора — все используют импульсный сигнал. А начнем мы со знакомства с их важными характеристиками.

Период и скважность импульсного сигнала Представим себе, что мы готовимся к встрече Нового Года и нам просто необходимо сделать мигающую гирлянду. Поскольку мы не знаем, как заставить её мигать самостоятельно, сделаем гирлянду с кнопкой. Попробуем управлять гирляндой согласно нехитрому алгоритму: нажимаем на кнопку; ждем 1 секунду; отпускаем кнопку; ждем 2 секунды; переходим к пункту 1. Это алгоритм периодического процесса.

Нажимая на кнопку по алгоритму мы тем самым генерируем настоящий импульсный сигнал! Изобразим на графике его временную диаграмму. На рисунке хорошо виден этот отрезок, он равен трем секундам. Величина обратная периоду повторения называется частотой периодического сигнала F. Частота сигнала измеряется в Герцах. Отрезок времени, в течение которого гирлянда горит называется длительностью импульса t. А теперь самое интересное! Отношение периода повторения T к длительности импульса t называется скважностью.

Скважность величина безразмерная. В англоязычной литературе принят другой термин — коэффициент заполнения Duty cycle.

Это величина, обратная скважности. Генерация импульсного сигнала при помощи микросхемы Теперь попробуем заменить человека и кнопку, ведь мы не хотим весь праздник включать и выключать гирлянду каждые 3 секунды.

В качестве автоматического генератора импульсов используем очень известную микросхему семейства По-другому данный класс микросхем называют таймерами.

Как правило, все они имеют одинаковый набор выводов. Для примера, подключим к таймеру один светодиод. Позже будет понятно, почему мы делаем именно так. Принципиальная схема Внешний вид макета Примечание. Конденсатор C2 в схеме можно не использовать. Делается это с помощью несложных формул, взятых из технической документации к микросхеме. Вот это новость! А что же нам делать с гирляндой? Чтобы обойти это ограничение имеется два способа.

Первый способ заключается в использовании другой схемы подключения таймера. Мы просто-напросто инвертируем выход таймера! Собственно, в предложенной выше схеме мы это уже и сделали. В этой схеме светодиод будет гореть, когда на выходе таймера будет низкий уровень. Вряд ли мы найдем резистор с таким номиналом. Скорее всего нам потребуется поставить последовательно несколько резисторов, например: один резистор на 10 КОм и 4 штуки на 1 КОм. В результате должно получиться что-то подобное: В этой схеме используются резисторы на 15 КОм.

Подключение группы светодиодов к таймеру Теперь, когда мы научились задавать нужный ритм, соберем небольшую гирлянду. То есть, вместо резистора Ra мы можем поставить перемычку. Выход микросхемы слишком слабый для того, чтобы одновременно зажечь 5 светодиодов. А ведь в настоящей гирлянде их может быть штук 15, 20 и более. Также в этой схеме можно использовать полевой N-канальный транзистор, например 2N Нашим светодиодам потребуется токозадающий резистор.

На светодиоде красного цвета напряжение падает на 2 Вольта. Собираем схему, подключаем батарейку и наблюдаем за результатом. Задания Генератор звука. Увеличить частоту звука, например, до Гц. Железнодорожный светофор. Подключить к таймеру два светодиода таким образом, чтобы один соединялся с таймером катодом, а второй анодом. Заключение Как уже говорилось, таймер — очень популярная микросхема.

Это объясняется тем, что большинству электронных устройств свойственны периодические процессы. И как уже говорилось, работа любого микроконтроллера и процессора основана на тактовом сигнале, имеющем очень точную частоту.

Будет немного сложнее, но интереснее! Полезные ссылки Сборник проектов на таймере Вконтакте. Генератор электрических импульсов на таймере : 4 комментария А Вы знаете, что из-за отличия вольт-амперных характеристик, диоды параллельно не включаются?

Олег Якут 0. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш e-mail не будет опубликован. Как заказать? Политика конфиденциальности.

Генератор электрических импульсов на таймере 555

Современный рынок электронных компонентов и различных приборов на их основе в основном заполнен китайскими производителями. Большинство как простейших елочных гирлянд, терморегуляторов, фотореле, так и сложных бытовых приборов компьютеры, телевизоры производятся именно в Китае. Кроме того, доставка из того же в большинстве случаев бесплатна, поэтому многие радиолюбители уже перешли на электронные компоненты из Китая. Однако интерес к простым конструкциям еще не исчез. Простейшие электронные схемы все еще находят свое применение в системах домашней автоматизации. На основе таймера NE строятся схемы фотореле, системы сигнализации, преобразователи напряжения и многие другие. Алгоритм работы схемы следующий: изменение освещенности вызывает включение или отключение лампочки LS1.

Мигаем светодиодами при помощи микросхемы таймера NE Пример схемы для генератора заданной частоты на таймере

Схемы NE555

Годовая подписка на Хакер. Микросхема появилась сорок лет назад и стала фактически первым таймером на широком рынке. С тех пор из-за бешеной популярности микросхемы ее начали выпускать почти все производители электронных компонентов, и несмотря на почтенный возраст, до сих пор выходит многомиллионными тиражами. В этом году прошел конкурс проектов contest. Заявки принимались в нескольких категориях: искусство, сложные проекты, минималистичные и полезные гаджеты. Среди нескольких сотен проектов была видеоигра, собранная на целой горсти ; контроллер для пинбола; электрогитара; устройство, не дающее спать соседям; замок, отпирающий дверь по секретному стуку и еще куча интересного. Если ты хоть раз в жизни держал паяльник и даже отличишь резистор от транзистора, а со старушкой еще не знаком, то нужно срочно исправить ситуацию. Что это за зверь?

Как работает таймер 555. Таймер на микросхеме NE555 (включения и выключения)

Every project on GitHub comes with a version-controlled wiki to give your documentation the high level of care it deserves. Каскадное включение двух NE c Аня Михайлова. Этот чип специально разработан для создания различных времязадающих цепей. С ним, используя минимум внешних компонент, можно собрать генератор с периодом от сотен секунд до десятков миллисекунд, одновибратор, различные управляемые модуляторы и т.

Примером создания электронной схемы, небольшой, но достаточно полезной во многих случаях, является придумка еще в е годы микрочипа универсального таймера

Разнообразие простых схем на NE555

Войдите , пожалуйста. Хабр Geektimes Тостер Мой круг Фрилансим. Войти Регистрация. Сегодня я хочу рассказать вам о микросхеме Сразу после выхода завоевала бешеную популярность и её начали выпускать почти все производители полупроводников.

Примеры применение таймера NE555

Каждый радиолюбитель не раз встречался с микросхемой NE Этот маленький восьминогий таймер завоевал колоссальную популярность за функциональность, практичность и простоту использования. На таймере можно собрать схемы самого различного уровня сложности: от простого триггера Шмитта, с обвеской всего в пару элементов, до многоступенчатого кодового замка с применением большого количества дополнительных компонентов. В данной статье детально ознакомимся с микросхемой NE, которая, несмотря на свой солидный возраст, по-прежнему остается востребована. Стоит отметить, что в первую очередь данная востребованность обусловлена применением ИМС в схемотехнике с использованием светодиодов.

Важно, что после включения микросхема не будет реагировать на новые сигналы, сколько Во-первых, сам таймер (на схеме IC1).

Микросхема 555: Собираем 5 гаджетов на базе микросхемы 555

А Вы знаете, что из-за отличия вольт-амперных характеристик, диоды параллельно не включаются? Иначе, ввиду более раннего открытия, через одни диоды будет течь почти весь ток привет товарищу Кирхгофу , а через другие ток течь не будет, или разница в токах будет существенной, что приведет к ускоренному выходу из строя диодов с более ранним отпиранием. Для параллельного включения диодов требуется последовательно с каждым диодом включить резистор. Вы абсолютно правы, данная схема не совсем корректна.

Таймер включения своими руками схема на ne555

Проекты с с использованием интегрального таймера Миниатюрный музыкальный метроном на таймере Friday, May 19, Стильный метроном музыканта на 3D принтере. Печатная плата на ЧПУ. Friday, May 19, Питание люминесцентной лампы со сгоревшей нитью от 12 вольт.

Таймер NE является, пожалуй, самой популярной интегральной микросхемой своего времени.

Легендарный таймер NE555 – описание и применение микросхемы

Сразу стоит отметить при описании микросхемы NE , что она выпускается как в стандартной ТТЛ логике, так и КМОП, поэтому она может работать в широком диапазоне напряжений и использована во многих типах устройств в качестве генератора тактовых импульсов или универсального таймера. Микросхема может генерировать как одиночные, так повторяющиеся импульсы, что зависит от принципиальной схемы включения и выбора конкретного режима работы. Оглавление: Предыстория создания ИС Аналоги микросхемы Характеристики микросхемы Некоторые проблемы и особенности работы с микросхемой Назначение и расположение выводов микросхемы Режимы работы и применение микросхемы Режим независимого генератора Изменение скважности выходного импульса. Разрабатывался первый вариант ИС еще в году знаменитой на то время компанией Signetics. По своим характеристикам и функциональным возможностям она является широко востребованной, свидетельством чего является ее активное применение в устройствах управления скоростью вращения двигателей и тиристорных регуляторах мощности.

В этой статье мы рассмотрим различные варианты схем реле задержки времени с напряжением питания Вольт. Принцип работы такого устройства в том, что при появлении стартового события: нажатие кнопки или включение в питающую сеть, устройство подключает нагрузку к сети. По прошествии заданного времени происходит выключение нагрузки и больше она не включается, вплоть до наступления следующего стартового события. Существует множество различных схемотехнических решений для таких реле времени выключения на Вольт.

Микросхема NE555

В этой статье мы расскажем вам об одной неприметной интегральной схеме, которая изменила мир электроники. Разнообразие ее применений настолько велико, что о ней написано огромное количество статей и напечатано множество книг!

В чем причина популярности микросхемы NE555? Ответ на этот вопрос станет ясен, когда расскажем о конструкции и применении этой схемы.

Основная цель этой статьи — общий обзор конструкции NE555. Мы также будем использовать эту популярную ИС (интегральная схема) для создания очень простого первого проекта. А потом, в следующей статье мы сможем построить более сложные схемы — датчик препятствий и сервоконтроллер.

Краткая история NE555

Микросхема NE555 была разработана в 1970 году и запущена в серийное производство 12 месяцев спустя. Ее создатели не ожидали, что она будет производиться более 40 лет. Более того, сегодня никто даже не думает о прекращении производства этого чипа.

В каталогах производителей NE555 описана как универсальная машина времени, то есть схема, которая может генерировать импульсы заданной длительности.

Один из вариантов микросхемы NE555

Универсальность данной микросхемы является результатом простоты. В структуре этой схемы выделяется всего пять блоков, которые можно настраивать по-разному. С помощью нее можно изготавливать множество устройств: от простого мигающего светодиода, через сервоприводы и звуковые сигналы, до регуляторов мощности двигателя. Каждая из этих схем требует времени, и именно для этого был разработан NE555 .

NE555 продается в 8-контактных корпусах. Также существует вариант, содержащий две такие схемы таймера в одном корпусе — он известен как NE556 (такая схема замкнута в куб с 14 выводами). Однако эта версия не так популярна.

У NE555 есть множество модификаций, не меняющих ее принцип работы. По этой причине в продаже имеются LF555, CD555, LM555 и др.

Когда вы начинаете работать с новой интегральной схемой, у вас должна быть под рукой ее каталожная запись — ее стоит просмотреть даже просто из любопытства. Однако на данный момент, нам нужна только распиновка, т.е. описание пинов.

Описание выводов (ножек) микросхемы NE555

Внутренняя структура NE555

Каждая интегральная схема состоит из таких компонентов, как транзисторы и резисторы. Конечно, их можно сгруппировать в функциональные блоки. Мы уже анализировали такие блоки при обсуждении интегрированного инфракрасного приемника (TSOP) — на этот раз наш анализ работы схемы будет намного точнее.

На блок-схеме NE555 ниже показано соединение блоков, показывающих суть ее работы. Это значительно упрощает анализ компоновки. Благодаря этому очень легко увидеть, за что «изнутри» отвечает каждый вывод (ножка).

На рисунке ниже, номера ножек отмечены синим цветом. Конечно, ни их порядок, ни расположение, не такие, как в реальной раскладке. Представлять ее в другой форме на схеме — совершенно нормально — и производители делают то же самое.

Блок-схема микросхемы NE555

Важно отметить, что на таких блок-схемах не рисуются дорожки, по которым проходит ток, между блоками, чтобы изображение было более понятным. Изначально предполагается, что на каждый блок подается питание и заземление. В противном случае, автор схемы должен это четко указать.

Чтобы у всех было одинаковое понимание того, как работает NE555, мы подробно обсудим отдельные блоки, показанные на схеме. Вам не нужно делать этот анализ при изучении каждой новой интегральной схемы. Однако NE555 — настолько культовый чип, что им стоит заняться — хотя бы для удовлетворения собственного любопытства.

Для справки: элементы, которые мы сейчас обсуждаем, находятся внутри ИС!

Блок 1: Делитель напряжения

Три резистора одинакового номинала (обычно 5 кОм) образуют делитель напряжения, уже хорошо известный нам, внутри схемы. Они делят напряжение питания, приложенное между контактом 8 (VCC) и контактом 1 (GND), на три равные части, то есть 1/4 этого напряжения отдается каждому резистору. Например, напряжение питания системы 6 В, нижний узел имеет потенциал 2 V, а верхняя 4 V.

NE555, Блок 1: Делитель напряжения

Блок 2: Компараторы напряжения

Треугольники с двумя входами и одним выходом — это, конечно, компараторы напряжения. Их работа уже подробно описывалась ранее, поэтому нам больше не нужно здесь обсуждать этот вопрос. Однако их конкретная задача, конечно же, будет представлена ​​в следующих статьях.

NE555 Блок 2: Компараторы напряжения

Блок 3: RS-триггер

Прямоугольник с пятью отведениями называется RS-триггером. Это цифровой компонент, который запоминает состояния выходов компаратора напряжения. Напряжение, близкое к положительной силовой шине на выходе компаратора, обозначается логической 1, а напряжение, близкое к отрицательной силовой шине (земля, 0 В), — логическим 0.

Триггер поддерживает заданное состояние выходов до тех пор, пока не будет получен сигнал, принудительно изменяющий их.

NE555, Блок 3: триггер RS

Функции его выводов следующие:

• S (set) — при высоком уровне выход Q устанавливается на высокий уровень,
• R (сброс) — когда статус высокий, выход Q устанавливается на низкий,
• RES с кружком, обозначающий отрицание — передача низкого состояния этому входу сбрасывает схему, т.е. устанавливает 0 на выходе Q, независимо от состояния двух других входов,
• Q — выход триггера,
• Q с чертой, обозначающей отрицание — перевернутый выход триггера (напротив Q).

Триггер — это тема, связанная с цифровыми технологиями. Вам не нужно сейчас слишком углубляться в это. Самое главное — это общее понимание того, как работает этот элемент, то есть на практике:

• Предоставление на мгновение высокого состояния входу S триггера приведет к тому, что выход Q будет постоянно высоким. Изменение состояния входа больше не повлияет на выход — он все время будет оставаться на высоком уровне.

Работа триггера RS: а) начальное состояние (состояние 0 на выходе), б) состояние 1 на входе SET (состояние 1 на выходе), в) отключение сигнала 1 на входе SET (устойчивое состояние)

• Применение высокого состояния к входу R приведет к сбросу триггера, то есть установит выход Q в низкое состояние.

Работа триггера RS: г) начальное состояние (состояние 1 на выходе), д) состояние 1 на входе RESET (состояние 0 на выходе, после затухания сигнала состояние будет сохраняться)

Второй выход (инвертированный Q) — это просто инвертированное значение выхода Q. Что касается Q, если здесь 1, то для инвертированного Q это 0; и наоборот — если для Q это 0, то для Q с отрицанием равно 1.

Блок 4: выходной буфер

Есть так называемый выходной буфер, задача которого увеличить текущий КПД этого выхода. Благодаря ему, например, диоды или реле можно подключать напрямую к выходу NE555.

Выход триггера не справился бы с этой задачей, потому что логическая структура не предназначена для передачи больших токов. Буфер «сам по себе» не влияет на логическое состояние на выходе — он только следует за тем, что он получает на своем входе, то есть за выходом триггера.

NE555 Блок 4: выходной буфер

Блок 5: Транзистор

Как упоминалось ранее, интегральная схема (ИС) в основном состоит из транзисторов. Так почему же здесь он выделен как особенный? У него особая функция: он разряжает внешний конденсатор, который мы позже подключим к NE555.

Этот транзистор управляется с выхода инвертированного триггера, то есть он открывается, когда выход Q низкий, и тогда инвертированный Q высокий. Это, конечно, транзистор с достаточно высокой токовой емкостью, чтобы он не повредился при открытии — его роль заключается в быстрой разрядке конденсатора.

NE555 Блок 5: Транзистор

Как работает NE555?

Сам NE555 не может делать ничего конструктивного — он должен быть огражден внешними элементами. Их значения и схема подключения определяют функции схемы.

В этом случае две наиболее важные функции, которые может выполнять NE555:

1. нестабильный генератор,
2. моностабильный генератор.

Нестабильный генератор — это схема, которая начинает работать сразу после включения питания и изменяет выходное состояние с высокого на низкое и наоборот. Каждое состояние длится определенное время. Такие изменения создают прямоугольную волну, потому что в ней всего два уровня напряжения. Одно из простых применений такого генератора — мигание светодиода.

Моностабильный генератор выдает только один импульс. Сигнал для его генерации исходит извне и представляет собой напряжение с определенным логическим уровнем. Как только импульс закончится, он готовится и ждет следующего триггера. Этот тип генератора полезен, когда мы хотим построить временные цепи или, например, делители частоты.

Работа нестабильного генератора

Легче всего разобрать нестабильную схему, хотя в ней больше элементов, чем в моностабильной. Его принципиальная схема представлена ​​ниже. Резисторы RA, RB и конденсатор C1 используются для отсчета времени. Конденсатор C2 не является обязательным (его роль будет рассмотрена позже).

NE555 в нестабильном режиме

Если приведенное ниже описание слишком сложно для вас, не беспокойтесь об этом. Продолжайте, выполняйте практические упражнения и только потом возвращайтесь к этому описанию. Однако помните, что это сложная тема, и вам не обязательно в ней разбираться. Если понять, как эта схема работает изнутри, это будет здорово, но это не обязательно — вряд ли кто-то в начале своих экспериментов с электроникой так тщательно разбирался в этой теме.

Самое главное, что после этой статьи вы сможете использовать NE555 на практике. Хорошее знание внутреннего устройства этой микросхемы не является обязательным.

Теперь используйте свое воображение и следите за текстом. Мы предполагаем, что вся система питается от 6 В (т.е. от четырех батареек АА). Конденсатор С1 разряжается после включения питания. Компаратор нижнего уровня реагирует на это отображением высокого состояния на своем выходе, и потенциал на неинвертирующем входе (+) намного выше, чем потенциал на инвертирующем входе (-), подключенном к конденсатору.

Это вызывает установку в логическом триггере 1, т.к. этот компаратор управляет входом S. Напряжение на выходе схемы близко к напряжению питания.

Разрядный транзистор, управляемый инвертированным выходом, забит и не проводит электричество. На входе R низкий уровень, т.к. инвертирующий вход компаратора высокого уровня (-) находится под потенциалом ⅔ напряжения питания, то есть 4 В.

Конденсатор медленно заряжается через последовательно включенные резисторы RA и RB.

Через некоторое время, когда конденсатор заряжается до напряжения, превышающего порог переключения нижнего компаратора (т.е. выше 2 В), компаратор перейдет в низкое состояние на своем выходе. Однако это ничего не меняет в работе триггера — он запомнил состояние high с входа S до и ждет. Конденсатор продолжает заряжаться.

Анимированная работа NE555

После того, как конденсатор зарядится выше 4 В, верхний компаратор меняет свой выход на высокий и сбрасывает выход триггера. На выходе Q установлен низкий уровень, а разрядный транзистор «включен» и насыщен.

Ток через транзистор протекает от 2 источников: через резистор RA (от источника питания) и RB (от конденсатора, заряженного до напряжения 4 В). Первое не имеет значения, второе очень важно. Когда конденсатор разряжается, на выходе OUT низкий уровень, и он длится до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не превышает 2 В.

Стоит отметить, что верхний компаратор активен только на мгновение: разряд начинается, как только обнаруживается порог переключения, поэтому его выход быстро возвращается в низкое состояние.

Разряд заканчивается, когда нижний компаратор сигнализирует, что напряжение на конденсаторе упало ниже 2 В. Он устанавливает вход S триггера, выход схемы становится высоким и разрядный транзистор забивается. Цикл закрывается и начинается заново.

Описание дополняется схемой хронологии наиболее важных напряжений в цепи: на конденсаторе, на выходе схемы и на входах триггера. Зарядка и разрядка конденсатора происходит дугой, поскольку конденсатор, питаемый резистором, изменяет свое напряжение экспоненциально.

Ход наиболее важных напряжений внутри NE555

Какую роль играет второй конденсатор?

На принципиальных схемах многих NE555 есть небольшой конденсатор (порядка 10 нФ), подключенный между контактом 5 и землей. Он фильтрует напряжение, генерируемое в верхнем узле резистивного делителя. Некоторые говорят, что этот конденсатор является избыточным, потому что вся схема, в любом случае, питается от постоянного напряжения, поэтому потенциал этого узла не может измениться.

Вышеприведенные рассуждения верны до тех пор, пока не произойдет переключение триггера RS. Однако этот короткий момент, в течение которого в схеме происходит много всего, должен находиться под постоянным контролем компараторов. Эталонные напряжения, выдаваемые резисторами делителя, не должны изменяться, потому что это повлияет на длительность импульсов.

По этой причине рекомендуется добавить керамический конденсатор емкостью 10–100 нФ, который легко блокирует резкие изменения этого напряжения — создается RC-фильтр. Долгосрочные изменения, такие как медленная разрядка аккумулятора, не будут заблокированы им и не нарушат работу схемы.

Первый проект на NE555

Пришло время самого интересного в этой статье, то есть практического примера. На этот раз мы построим простую схему, которая будет мигать светодиодами. Вам понадобятся следующие компоненты:

• 1 × микросхема NE555,
• Резистор 4 × 1 кОм,
• Конденсатор 2 × 100 нФ,
• 1 × 220 мкФ конденсатор,
• 1 × зеленый светодиод,
• 1 × красный светодиод,
• Батарея 4 × AA,
• 1 × корзина для 4 батареек АА,
• 1 × макетная плата,
• комплект соединительных проводов.

Принципиальная схема существенно не отличается от рассмотренной здесь. Был добавлен только дополнительный конденсатор 100 нФ, который фильтрует напряжение питания всей схемы — это хорошая практика при создании чего-либо большего. Будет лучше, если этот элемент будет физически установлен рядом с микросхемой NE555, в частности с ее контактами 1 и 8, то есть теми, которые питают его. С другой стороны, выход системы соединен с диодами, которые показывают логическое состояние: зеленый низкий и красный высокий.

Схема мигания светодиодов на NE555

Светодиод LED1, светящийся зеленым светом, был подключен анодом к положительной батарее. Это означает, что он загорится только тогда, когда на выходе NE555 низкий уровень (потенциал близок к 0 В). Ток сможет протекать через него и достигать входа микросхемы NE555. Резистор R1 будет стоять на пути этого тока и ограничит его интенсивность до безопасного для диода значения.

Красный диод LED2 подключен катодом к минусу блока питания. Вам нужно дать его аноду положительный потенциал, чтобы через него протекал ток. Это также можно сделать с помощью NE555, когда его выход высокий (потенциал около 6 В). Ток через этот диод, в свою очередь, ограничивает резистор R2.

Диоды LED1 и LED2 горят поочередно, потому что микросхема NE555 может находиться в одном из двух состояний в данный момент (низкое или высокое).

Одновременно будет гореть только один светодиод. Когда светодиод LED1 горит, на выходе NE555 низкий уровень (около 0 В) и на LED2 больше нет напряжения, оба вывода имеют почти одинаковый потенциал. Такая же ситуация возникает при включении LED2 — тогда LED1 «не хватает» напряжения, т.к. выход NE555 имеет потенциал почти такой же, как и его анод (6В).

Поначалу создание такой схемы может показаться довольно запутанным. Однако, конечно же, в рамках этой статьи мы также подготовили подробную инструкцию.

Вы должны помнить, что с интегральными схемами вам нужно обращать внимание на номера контактов — они часто расположены на схеме в другом порядке, чем на физическом корпусе.

Начнем с размещения микросхемы NE555 на плате (обязательно обратите внимание на выемку в корпусе).

Шаг 1. Подключаем:

• контакт 4 для положительной шины питания,
• конденсатор C2 между землей и контактом 5,
• вывод №1 к массе,
• контакт 8 к положительной силовой шине,
• конденсатор С1 в ЛЭП.

Шаг 2. Подключите одну ножку конденсатора C3 к земле, а вторую пока подключите к макетной плате, а затем подключите к ней другие элементы.

Шаг 1: основные подключения и конденсаторы	Шаг 2: конденсатор C3

Шаг 3. Соедините элементы R3, R4, то есть:

• соединяем три элемента последовательно в порядке R3, R4, C3,
• свободная ножка резистора R3 идет к плюсовой шине питания,
• подключаем вывод 7 микросхемы NE555 между резисторами R3 и R4,
• соедините контакты 2 и 6 микросхемы NE555, а затем подключите их между R4 и C3.

Шаг 4. Соедините два диода с резисторами R1 и R2.

Шаг 3: резисторы R3 и R4	Шаг 4: светодиоды и их резисторы

На практике все это может выглядеть так (здесь уже есть небольшой клубок проводов, но так должно быть при построении больших схем):

Вся схема на макете	Пример реализации

Пришло время подключить питание к соответствующим точкам на макетной плате. Красный диод должен загореться первым. Через несколько секунд он погаснет и на короткое время станет зеленым.

Горит зеленый светодиод	Красный светодиод горит

Конечно, как вы, наверное, уже догадались, параметры конденсатора и резисторов влияют на время свечения каждого диода. С этим стоит поэкспериментировать самостоятельно. Например, можно добавить в схему потенциометр и плавно регулировать сопротивление. Также можно заменить конденсатор на меньший.

От чего зависит длительность импульсов?

За длительность низкого и высокого состояния на выходе схемы отвечают три элемента: R3, R4 и C3. В частности, резистор R4 и конденсатор C3 отвечают за продолжительность низкого состояния (т.е. когда горит зеленый светодиод). Чем выше сопротивление R4, тем дольше LED1 будет гореть.

Продолжительность горения красного диода, сигнализирующего о наличии высокого состояния, определяется суммарным сопротивлением R3 и R4 и емкостью C3. Таким образом, увеличение R3 продлит длительность высокого состояния, а увеличение R4 — и то, и другое. Поэтому красный диод горит дольше зеленого — сумма сопротивлений R3 и R4 всегда будет больше, чем сам резистор R4.

Не допускается ставить «закоротку» на место резистора R3, т.е. заменять его, например, проводом. Никакое сопротивление в этот момент не разрушит ИС.

Конденсатор C3 в равной степени влияет на оба этих состояния. Чем больше его емкость, тем реже будут переключаться диоды, и чем она меньше, тем чаще будут происходить изменения.

Моностабильная конфигурация микросхемы NE555

Первая конфигурация NE555 позади. Теперь пора кратко описать, как она ведет себя во второй роли — как моностабильный генератор. Напоминаем: это означает, что как только будет подан сигнал триггера, схема сгенерирует определенный импульс (изменение состояния на своем выходе). Схема такой конфигурации проста, все дело ограничивается одним резистором и двумя конденсаторами.

Схема моностабильной конфигурации NE555

Для правильной работы этой схемы, после включения питания, напряжение на входе запуска (контакт 2) должно быть выше ⅓ напряжения питания. Схема, вероятно, сгенерирует один импульс (поскольку внутреннее состояние триггера неизвестно) и вернется в устойчивое состояние, при котором разрядный транзистор открыт, а на выходе низкий уровень.

Мгновенное падение напряжения на контакте 2 рассматривается как сигнал запуска: нижний компаратор переключает триггер на высокий уровень, транзистор забивается и конденсатор C1 заряжается через резистор RA.

После того, как конденсатор C1 заряжен до напряжения, соответствующего верхнему порогу компаратора (напряжения питания), активация входа R триггера вызывает отключение выхода и разряд конденсатора транзистором — тогда система переходит в режим покоя и ждет следующего срабатывающего импульса.

Импульс запуска должен быть короче генерируемого, поскольку может возникнуть ситуация, в которой оба компаратора передадут логическую 1 (высокое состояние) на входы запуска. Чтобы не растягивать эту часть статьи без надобности, мы не будем рассматривать эту конфигурацию более подробно.

Плюсы и минусы NE555?

Разработчики микросхемы NE555 создали незамысловатую компоновку, имеющую ряд преимуществ. Помимо прочего, ее можно легко настроить по-разному — все, что вам нужно, это несколько пассивных элементов. Более того, сама схема очень дешева в производстве.

Важно отметить, что время генерируемых импульсов не зависит от напряжения питания, поэтому схема может питаться от батареи, аккумулятора или источника питания.

К сожалению, такая простая структура имеет множество минусов. Первый минус — это относительно высокое потребление тока, которое является результатом использования делителя напряжения из резисторов с относительно низким сопротивлением.

Встроенный делитель напряжения позволяет схеме потреблять относительно большой ток

Второй минус NE555 — удлинение первого импульса по отношению к следующему. Если вы внимательно прочитаете описание нестабильной схемы, вы увидите, что состояние высокого уровня сразу после включения питания длится примерно в два раза дольше, чем следующие. Это связано с тем, что конденсатор нужно заряжать с нуля, а в дальнейшем он разряжается только до напряжения питания.

Такое удлинение первого импульса — настоящая беда для многих схем таймера!

Эта схема не подходит для точного измерения очень долгого времени. Причина этого — потребление тока входами компаратора. Они устроены так, что потребляемый ток близок к нулю, но идеальных элементов нет — они все равно потребляют ток, поэтому могут нарушить процесс счета. Однако это явление незаметно, когда мы хотим измерить короткие периоды.

Эта схема тоже не очень быстрая (исходя из реалий электронных схем). Ограничения скорости уже можно найти на блок-схеме. Управляющие сигналы генерируются компараторами (которые обычно не являются быстрыми схемами) — они проходят ток через триггер (это также требует времени), а затем распространяются дальше. Засорение разрядного транзистора — тоже довольно длительный процесс (в реалиях электроники).

Еще в начале 1970-х считалось, что 555 должна была быть простой и дешевой схемой. Помните, что интегральные схемы тогда только начинали появляться!

Однако эти недостатки позволяют производителям получать от этого чипа только 500 кГц или немного больше.

Вывод

Вот мы и рассказали вам основную информацию о микросхеме NE555. Мы также проверили, как с ее помощью можно построить простой проект с мигающими светодиодами. Однако это только начало, потому что у этой схемы гораздо больше возможностей.

В следующей статье мы будем использовать NE555 для создания настоящего датчика препятствий! Здесь пригодятся знания об инфракрасных передатчиках и приемниках. Кроме того, на базе NE555 мы также создадим моделирующий сервопривод.

С Уважением, МониторБанк

переключателей — Мгновенный переключатель для активации таймера 555

\$\начало группы\$

Я новичок в схемотехнике, я пробовал все в Интернете, но ничего не работает. Я делаю эту схему для класса.

Я пытаюсь эмулировать эту схему из этого видео на YouTube с Vcc, установленным на 5V.

Я пытаюсь использовать таймер 555 для отправки сигнала на небольшой радиоуправляемый серводвигатель. Я установил 555 в моностабильный режим с мгновенным переключателем. Проблема в том, что переключатель посылает на выход сигнал, который не остановится, пока переключатель не будет нажат.

Из-за того, что сервоприводу требуется короткая ширина импульса, выходной сигнал 555 искажается по сравнению с выходным сигналом переключателя мгновенного действия, пока он нажат. С подключенным сервоприводом он будет время от времени двигаться вперед и назад, но не завершит цикл 60 градусов. Я пробовал подключить резистор 10k от 2 к +, но это не дало никакого эффекта. Резистор, соединяющий 7 и 8, предназначен только для этого примера; На самом деле я использую потенциометр для установки времени. Любая помощь будет принята с благодарностью.

• переключатели
• аналоговые
• 555
• сервопривод

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Это похоже на проблему, с которой сталкивались люди при попытке подключить переключатель сброса к компьютеру Commodore 64: если переключатель удерживался нажатым, он оставался в режиме сброса (что не очень хорошо для ЦП).

C-64 имеет таймер 556, который управляет сбросом. У него есть конденсатор на выводе триггера, который удерживает его в течение короткого времени после включения питания, запуская таймер. Затем конденсатор заряжается через резистор и прекращает импульс сброса.

Чтобы сделать переключатель сброса, который не удерживает триггер в низком уровне, когда он удерживается замкнутым, я использовал конденсатор и резистор, включенные параллельно между переключателем и контактом триггера. Это базовая схема:

^{смоделируйте эту схему — схема создана с помощью CircuitLab}

Конденсатор C2 будет удерживаться разряженным резистором R2 до тех пор, пока не будет нажат переключатель, затем он переведет триггер в низкий уровень, а затем зарядится через R1, поэтому этот триггер переходит на Vcc/2, пока переключатель удерживается, это должно препятствовать тому, чтобы таймер оставался запущенным. Отпускание переключателя позволяет R2 опустошить C2, так что при следующем нажатии он снова запустит таймер. Возможно, вам придется немного поиграться со значениями резисторов и конденсаторов. Вам также, вероятно, потребуется быстро и резко нажать на переключатель, чтобы запустить таймер. Схема сработает при первом включении, удаление C1 может предотвратить это, если это проблема.

\$\конечная группа\$

\$\начало группы\$

Стандартный способ обойти эту распространенную проблему — добавить RC-дифференциатор на контакт 2. Дифференциатор состоит из C1 и R2.

При нажатии S1 левая сторона C1 переходит в состояние 0 В. Правая сторона C1 должна немедленно следовать. Затем напряжение на правой стороне C1 экспоненциально возрастает до 5 В по мере того, как C1 заряжается через R2. Когда S1 отпускается, C1 разряжается через R1, R2 и D1, готовый к следующему нажатию переключателя. Причина наличия D1 заключается в том, чтобы предотвратить повышение напряжения на входе контакта 2 более чем до 5,6 В при отпускании переключателя. Это защищает вход контакта 2 от повреждения.

Результатом всего этого является генерация короткого импульса на контакт 2 при нажатии переключателя.

Выходной сигнал на контакте 3 будет высоким в течение периода времени, равного 1,1 * R3 * C2, но для этого контакт 2 должен подняться выше 1/3 * Vcc до окончания выходного импульса, в противном случае выходной импульс будет продлен .

Итак, 1,1 * R3 * C2 должно быть больше, чем 0,4 * C1 * R2

Я указал значение 10 нФ для C3, что является более типичным значением, чем ваши 10 пФ.

\$\конечная группа\$

2

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Обратный инжиниринг популярной микросхемы таймера 555 (версия CMOS)

В этой статье объясняется, как работает микросхема таймера LMC555, начиная с крошечных транзисторов и резисторы на кремниевой микросхеме, функциональные блоки, такие как компараторы и токовые зеркала, которые заставляют его работать. Популярная интегральная схема таймера 555 считается самой продаваемой интегральной схемой в мире с миллиардами проданных с тех пор, как он был разработан в 1970 году Мастер аналоговых ИС Ханс Камензинд[1]. LMC555 — это маломощная КМОП-версия модели 555; вместо биполярных транзисторов в классическом 555 (о котором я рассказывал ранее), микросхема CMOS построена из маломощных МОП-транзисторов. Чип LMC555 можно понять, внимательно изучив фото кристалла.

Структура интегральной схемы

На фотографии ниже показан кремниевый кристалл LMC555 под микроскопом, основные функциональные блоки помечены (фото из Зептобары). Матрица очень маленькая, чуть более 1 мм кв. Большие черные кружки — это соединения между чипом и его внешними выводами. Тонкий слой металла соединяет разные части чипа. Этот металл хорошо виден на фото в виде белых линий и областей. Различные типы кремния на чипе имеют разный цвет. Области чипа обрабатываются (легируются) примесями для изменения электрических свойств кремния. Кремний N-типа имеет избыток электронов (что делает его отрицательным), в то время как кремний P-типа не имеет электронов (что делает его положительным). Поверх кремния поликремниевая проводка проявляется в других цветах. Области кремния и поликремний являются строительными блоками чипа, образующими транзисторы и резисторы, соединенные металлическим слоем.

Функциональные блоки в микросхеме LMC555.

Краткое описание таймера 555

Чип 555 чрезвычайно универсален с сотни приложений от таймера или защелки до генератора или модулятора, управляемого напряжением. Чтобы объяснить работу чипа, я буду использовать одну из самых простых схем — генератор, который периодически включается и выключается с фиксированной частотой.

На приведенной ниже диаграмме показана внутренняя работа таймера 555, используемого в качестве генератора. Внешний конденсатор многократно заряжается и разряжается, чтобы произвести колебание. Внутри микросхемы 555 три резистора образуют делитель, формирующий опорные напряжения 1/3 и 2/3 от напряжения питания. Внешний конденсатор будет заряжаться и разряжаться между этими пределами, создавая колебания, как показано слева. Более подробно, конденсатор будет медленно заряжаться (А) через внешние резисторы, пока его напряжение не достигнет опорного значения 2/3. В этот момент (B) пороговый (верхний) компаратор выключает триггер, отключая выход. Это включает разрядный транзистор, медленно разряжая конденсатор (С) через резистор. Когда напряжение на конденсаторе достигает опорного значения 1/3 (D), включается триггерный (нижний) компаратор, устанавливая триггер и выход, и цикл повторяется. Значения резисторов и конденсатора контролируют время от микросекунд до часов.

Схема, показывающая, как таймер 555 может работать как осциллятор.

Подводя итог, ключевыми компонентами внутри таймера 555 являются компараторы для определения верхнего и нижнего пределов напряжения, делитель с тремя резисторами для установки этих пределов, триггер для отслеживания того, заряжается или разряжается цепь, и разрядка. транзистор. Таймер 555 имеет два других вывода (сброс и управляющее напряжение), которые я не рассмотрел выше; они используются в более сложных схемах.

Транзисторы внутри микросхемы

Как и большинство интегральных схем, микросхема таймера CMOS 555 состоит из двух типов транзисторов: PMOS и NMOS. Напротив, классический таймер 555 использует более старую технологию биполярных транзисторов (NPN и PNP). КМОП популярны, потому что они потребляют гораздо меньше энергии, чем биполярные. КМОП-транзисторы очень плотно упаковываются в микросхему без перегрева, поэтому КМОП доминирует на рынке микропроцессоров с 1980-х годов. Хотя 555 не требует много транзисторов, низкое энергопотребление по-прежнему является преимуществом.

На приведенной ниже схеме показан NMOS-транзистор в микросхеме с поперечным сечением ниже. Поскольку транзистор состоит из перекрывающихся слоев, фото кристалла немного сложно понять, но поперечное сечение должно помочь прояснить ситуацию. Различные цвета в кремнии указывают на области, которые были легированы с образованием областей N и P. Зеленый прямоугольник — это поликремний, слой над кремнием. Беловатый прямоугольник — это металлический слой сверху. Переходные отверстия — это соединения между слоями.

Структура транзистора NMOS в микросхеме таймера LMC5555 CMOS.

МОП-транзистор можно рассматривать как переключатель, который соединяет или разъединяет исток и сток в зависимости от напряжения на затворе . Транзистор состоит из двух прямоугольных полосок кремния с отрицательным легированием (N), встроенных в базовый кремний P. Затвор состоит из слоя проводящего поликремния над стоком и истоком и между ними. Затвор отделен от лежащего под ним кремния очень тонким слоем изолирующего оксида. Если на затвор подается напряжение, оно создает электрическое поле, которое изменяет свойства кремния под затвором, позволяя течь току.[2] На фотографии также показано металлическое соединение с источником, а также «переходные отверстия», которые соединяют слой кремния с металлическим слоем через изолирующий оксид.[3]

Второй тип транзистора — это PMOS, показанный ниже. Транзисторы PMOS во многом противоположны NMOS; они называются дополнительными , то есть C в CMOS . PMOS использует исток и сток из кремния, легированного P, встроенного в кремний, легированный N. Транзистор включается низким напряжением на затворе (противоположно NMOS), заставляя ток течь от истока к стоку. Металлические соединения с истоком, затвором и стоком видны ниже с круглыми переходами к нижележащим слоям. (Обратите внимание, что диаграмма справа представляет собой не поперечное сечение, а упрощенный вид «сверху». ) На фотографии кристалла NMOS-транзисторы синие с зеленым затвором, а PMOS-транзисторы розовые с оранжевыми затворами. Эти цвета создаются интерференцией из-за толщины слоев, а на фотографии усиливается насыщенность.

Штамп фото транзистора PMOS в таймере LMC555. Упрощенная схема транзистора находится справа.

Выходные транзисторы в 555 намного больше, чем другие транзисторы, и имеют другую структуру для создания сильноточного выхода. На фото ниже показан один из выходных транзисторов. Обратите внимание на зигзагообразную структуру ворот между истоком (снаружи) и стоком (в центре). Также обратите внимание, что металлический слой стока узкий справа и расширяется по мере того, как он выходит из транзистора, чтобы справиться с увеличивающимся током.

Большой выходной транзистор NMOS в микросхеме таймера LMC555 CMOS.

Для обозначения МОП-транзисторов на схемах используются различные символы; на диаграмме ниже показаны некоторые из них. В этой статье я использую выделенные символы.

Различные символы, используемые для МОП-транзисторов. На основе Википедии.

Как резисторы реализованы в кремнии

Резисторы являются ключевым компонентом аналоговых схем. К сожалению, резисторы в ИС большие и неточные; сопротивление может варьироваться на 50% от чипа к чипу. Таким образом, аналоговые ИС спроектированы так, что имеет значение только соотношение резисторов, а не абсолютные значения, поскольку отношения остаются почти постоянными, даже если значения меняются в зависимости от условий производства.

Эти резисторы образуют делитель напряжения в таймере CMOS 555.

На фото выше показаны резисторы, образующие делитель напряжения в микросхеме. Есть шесть 50кОм; резисторы, соединенные последовательно, образуют три по 100 кОм; резисторы. Резисторы представляют собой бледные вертикальные прямоугольники. На конце каждого резистора переходное отверстие и кремниевый колодец P+ (розовый квадрат) соединяют резистор с металлическим слоем, который соединяет их вместе. Сами резисторы, вероятно, изготовлены из кремния, легированного фосфором.

Для уменьшения тока микросхема CMOS использует сопротивление 100 кОм. резисторы, намного больше, чем 5 кОм; резисторы в биполярном таймере 555. Городская легенда гласит, что 555 назван в честь этих трех резисторов 5K, но по словам его дизайнера 555 — это просто произвольное число в серии 500 чипов.

Компонент IC: Текущее зеркало

Есть некоторые подсхемы, которые очень распространены в аналоговых ИС, но поначалу могут показаться загадочными. Текущее зеркало является одним из них. Если вы смотрели на блок-схемы аналоговых интегральных схем, вы, возможно, видели приведенные ниже символы, указывающие на источник тока, и задавались вопросом, что такое источник тока и почему вы должны его использовать.

Схематические символы для источника тока.

Идея токового зеркала заключается в том, что вы начинаете с одного известного тока, а затем можете «клонировать» несколько копий тока с помощью простой транзисторной схемы, токового зеркала. Обычно токовое зеркало используется для замены резисторов. Как объяснялось ранее, резисторы внутри ИС имеют неудобные размеры и неточны. По возможности, использование токового зеркала вместо резистора экономит место. Кроме того, токи, создаваемые токовым зеркалом, почти идентичны, в отличие от токов, создаваемых двумя резисторами.

Схема ниже показывает, как токовое зеркало реализовано с тремя идентичными транзисторами.[5] Опорный ток проходит через транзистор справа. (В этом случае ток задается резистором.) Поскольку все транзисторы имеют одинаковое напряжение эмиттера и напряжение базы, они вырабатывают одинаковый ток, поэтому токи слева соответствуют опорному току справа. Для большей гибкости вы можете изменить относительные размеры транзисторов в токовом зеркале и сделать копируемый ток больше или меньше опорного тока.[4] Чип CMOS 555 использует транзисторы различных размеров для управления токами в цепи.

Токовое зеркало, сформированное из транзисторов PMOS. Два левых тока отражают ток справа, который контролируется резистором.

На схеме ниже показано одно из токовых зеркал в микросхеме LMC555, сформированное из двух транзисторов. Каждый транзистор на самом деле представляет собой два транзистора, включенных параллельно, что является обычным приемом в чипе, поэтому физически есть две пары транзисторов. Разглядеть транзисторы немного сложно, потому что их частично покрывает металлический слой, но, надеюсь, описание будет понятным. Начиная сверху, первый транзистор формируется из широких прямоугольников для истока, затвора 1 и стока 1. Обратите внимание на переходные отверстия, соединяющие металлический слой с истоком. Следующий транзистор делит сток 1 со вторым затвором 1 и истоком ниже. Поскольку эти два транзистора имеют общий сток, а истоки и затворы подключены одинаково, два транзистора фактически образуют один транзистор большего размера. Аналогично, ниже параллельно два транзистора: исток, затвор 2, сток 2, а затем сток2, затвор2, исток.

Две пары PMOS-транзисторов в микросхеме LMC555 образуют токовое зеркало.

На схеме справа показано, как транзисторы соединены вместе в виде токового зеркала. Если вы внимательно посмотрите на фото, то увидите, что одна полоса поликремния извивается взад и вперед, образуя все затворы, поэтому затворы соединены вместе. Справа верхняя металлическая полоса соединяет сток 1 и затворы с остальной частью схемы. Нижняя металлическая планка соединена со сливом 2.

Компонент IC: Дифференциальная пара

Второй важной схемой для понимания является дифференциальная пара, наиболее распространенная двухтранзисторная подсхема, используемая в аналоговых ИС.[6] Вы, возможно, задавались вопросом, как компаратор сравнивает два напряжения или операционный усилитель вычитает два напряжения. Это работа дифференциальной пары.

Схема простой цепи дифференциальной пары. Потребитель тока посылает фиксированный ток I через дифференциальную пару. Если два входа равны, ток делится поровну между двумя ветвями. В противном случае ветвь с более высоким входным напряжением получает большую часть тока.

На приведенной выше схеме показана простая дифференциальная пара. Источник тока внизу пропускает фиксированный ток I, который распределяется между двумя входными транзисторами. Если входные напряжения равны, ток будет разделен поровну на две ветви (I1 и I2). Если одно из входных напряжений немного выше другого, соответствующий транзистор будет проводить больший ток, поэтому одна ветвь получает больший ток, а другая ветвь — меньший. Небольшой входной разницы достаточно, чтобы направить большую часть тока в «выигрышную» ветвь, включая или выключая компаратор. Вместо резисторов чип использует токовое зеркало на двух ветвях. Это действует как активная нагрузка и увеличивает усиление.

Инверторы и триггеры

Хотя 555 является аналоговой схемой, он содержит цифровой триггер для запоминания своего состояния. Триггер построен из инверторов, простых логических схем, которые превращают 1 в 0 и наоборот. В модели 555 используются стандартные инверторы CMOS, как показано ниже.

Структура инвертора CMOS: транзистор PMOS вверху и транзистор NMOS внизу.

Инвертор построен на двух транзисторах. Если на входе 0 (т.е. низкий уровень), транзистор PMOS сверху включается, соединяя положительное питание на выходе, производя 1. Если на входе 1 (высокий), NMOS-транзистор в нижней части включается, соединяя землю с выходом, создавая 0. Волшебная часть CMOS заключается в том, что схема почти не потребляет энергии. Ток не протекает через затвор (из-за изолирующего оксидного слоя), поэтому единственное потребление энергии — это крошечный импульс, когда выход изменяет состояние, чтобы зарядить или разрядить емкость провода.

На приведенной ниже схеме показана схема триггера. Два инвертора соединены в петлю, образуя защелку. Если верхний инвертор выдает 1, нижний выдает 0, образуя стабильный цикл. Если верхний инвертор выдает 0, нижний выдает 1, снова формируя стабильный цикл.

Принципиальная схема триггера в КМОП-чипе таймера LMC555.

Чтобы изменить значение, хранящееся в триггере, новое значение просто принудительно вставляется в защелку, переопределяя существующее значение грубой силой. Чтобы это работало, нижний инвертор «слабый» с использованием слаботочных транзисторов. Это позволяет входам установки или сброса подавлять слабый инвертор и защелка сразу перевернется в правильное состояние Входы R (сброс) и S (установка) поступают от компараторов и подтягивают вход защелки к высокому или низкому уровню через транзисторы. Сброс происходит с входного контакта и подает на вход защелки высокий уровень через диод; выходной ток инвертора сброса контролируется зеркалом тока. Сброс потянет S на низкий уровень, блокируя действие противоречивого входа S.

Схематический интерактивный проводник 555

Фото и схема кристалла 555 ниже интерактивны. Щелкните компонент на кристалле или схеме, и отобразится краткое описание компонента. (Подробное обсуждение того, как работает таймер 555, см. 555 Принципы работы.)

Для быстрого обзора, большие выходные транзисторы и разрядный транзистор отличаются зигзагообразным рисунком затвора. Современные зеркальные транзисторы обычно имеют большие размеры. Пороговый компаратор состоит из транзисторов с Q1 по Q5. Компаратор триггера состоит из транзисторов с Q13 по Q18. Q19через Q29 образуют схему триггера. Резисторы делителя напряжения находятся в верхней центральной части микросхемы.[8]

Нажмите на кристалл или схему для получения подробной информации…

Я создал приведенную выше схему путем обратного проектирования чипа, поэтому я не гарантирую полную правильность. PDF моей схемы здесь и версия в другом формате здесь. Схема другой CMOS 555 здесь, интересно сравнить отличия. В то время как компараторы одинаковы, токовые зеркала построены по-разному, и схема триггера сильно отличается.

КМОП 555 по сравнению с традиционным биполярным 555

Обычный таймер 555 был разработан в 1970 году, а версия CMOS (ICM7555) не выпускался до 1978 года. LMC555, описываемый в этой статье, вышел примерно в 1988 году, а сама матрица датирована 1996 годом.

На изображении ниже классический таймер 555 (слева) сравнивается с CMOS LMC555 (справа), оба в одном масштабе. В то время как биполярный чип состоит из кремния, соединенного металлическим слоем, КМОП-чип имеет дополнительный соединительный слой из поликремния, что делает чип более сложным для визуального восприятия. Чип CMOS меньше. Кроме того, у КМОП-чипа много свободного места внизу и вверху справа, так что его можно было бы сделать еще меньше. КМОП-транзисторы намного сложнее биполярных транзисторов. За исключением выходных транзисторов, все биполярные транзисторы представляют собой простые отдельные блоки. Большинство КМОП-транзисторов для сравнения построены из двух или более транзисторов, включенных параллельно. Классический 555 использует гораздо больше резисторов, чем CMOS 555; 16 против 4.

Фотографии кристаллов таймера 555 (слева) и таймера CMOS 555 (справа) в одном масштабе.

На фото видно, что в КМОП-чипе функций меньше. Самые маленькие линии в обычном 555 имеют толщину 10-15 мкм. в то время как чип CMOS имеет характеристики 6 мкм. Усовершенствованные чипы в 1996 году использовали 350 нм (примерно в 17 раз меньше), так что LMC555 был далеко не передовой технологией CMOS.

Сравнение этих чипов иллюстрирует преимущества КМОП по энергопотреблению. Стандартный таймер 555 обычно использует ток 3 мА, в то время как эта версия CMOS использует только 100 мкА (а другие версии используют менее 5 мкА). Вход для 555 может потреблять 0,5 мкА, в то время как вход для версии CMOS использует невероятно маленький 10 пА, более чем на четыре порядка меньше. Меньшие входные токи «утечки» допускают гораздо более длительные задержки с микросхемами CMOS.]

Заключение

Сначала фотография кристалла микросхемы кажется слишком сложной для понимания. Но если внимательно посмотреть на кристалл КМОП-чипа таймера LMC555, можно увидеть компоненты, из которых состоит схема. Можно выбрать транзисторы PMOS и NMOS, посмотреть, как они объединены в схемы, и понять, как работает чип. Поскольку КМОП-чип имеет слой поликремния, которого нет в классическом биполярном чипе 555, требуется больше усилий, чтобы понять КМОП-чип. Но принципиально обе микросхемы используют схожие аналоговые функциональные блоки: токовое зеркало и дифференциальную пару.

Если вы нашли этот взгляд на CMOS-версию чипа 555 интересным, вам также следует взглянуть на мой демонтаж классического чипа 555. Спасибо Zeptobars за фото кристалла CMOS-чипа.

Получайте анонсы моих новых статей, подписываясь на @kenshirriff в Твиттере.

Примечания и ссылки

[1] Книга Designing Analog Chips , написанная изобретателем 555 Гансом Камензиндом, действительно интересна, и я рекомендую ее, если вы хотите узнать, как работают аналоговые микросхемы. В главе 11 подробно обсуждается история и работа модели 555. На странице 11-3 утверждается, что микросхема 555 была самой продаваемой микросхемой каждый год, хотя я не знаю, так ли это до сих пор — микроконтроллеры заменили таймеры во многих схемах. Бесплатный PDF здесь или получить книга.

[2] Структура MOSFET-транзистора объясняет несколько вещей. Транзистор называется полевым транзистором (FET), потому что он управляется электрическим полем на затворе. Поскольку затвор отделен изолирующим оксидным слоем, через затвор практически не протекает ток. Вот почему схемы CMOS имеют такое низкое энергопотребление. Однако тонкий оксидный слой может быть легко поврежден или разрушен статическим электричеством, поэтому интегральные схемы МОП чувствительны к статическому электричеству.

[3] Для простоты на диаграмме поперечного сечения не показана высоколегированная P-область (розовая), которая обеспечивает соединение с нижележащим кремнием P-тела, поддерживая на нем правильное напряжение. (В верхней части диаграммы виден переход между металлическим слоем и областью розового кремния.) МОП-транзисторы обычно соединяют источник и кремний корпуса вместе; в остальном исток и сток конструктивно одинаковы. Я также должен отметить, что поперечное сечение упрощено; в реальном чипе слои более неравномерны.

МОП-транзисторы изначально использовали металл для затвора, поэтому они были названы МОП-транзисторами в честь трех слоев: металла, оксида и полупроводника (кремния). Хотя ворота из поликремния заменили металлические ворота с 1970-х годов, название остается MOS, хотя POS было бы более точным. Федерико Фаггин (разработчик процессоров 4004 и Z-80) объясняет, как Технология кремниевых затворов произвела революцию в чипах здесь.

[4] Структура транзистора определяет величину тока, протекающего через него. В частности, ток пропорционален отношению ширины затвора и длина (Ш/Д). Легко видеть, что удвоение ширины затвора аналогично параллельному соединению двух транзисторов, что позволяет увеличить ток в два раза. Удвоение длины затвора (поэтому ток должен проходить через затвор в два раза дальше) сокращает ток вдвое по физическим причинам.

Два транзистора NMOS в триггере микросхемы LMC555. Левый транзистор типичен. Правый транзистор — слабый транзистор с током, текущим сверху вниз.

В микросхеме CMOS 555 транзисторы имеют самые разные отношения W/L, особенно для управления токами в разных ветвях токовых зеркал. Некоторые из слабых транзисторов трудно обнаружить, например, приведенный выше слабый транзистор из триггера. Транзистор слева имеет отношение W/L около 7. Транзистор справа выглядит почти так же, но при внимательном рассмотрении видно, что на самом деле он повернут на 9 градусов.0 градусов с истоком и стоком, расположенными вертикально, а не горизонтально. Отношение W/L транзистора справа составляет всего около 0,17, что делает транзистор примерно в 40 раз слабее, чем транзистор слева. Другими словами, транзистор слева имеет широкий короткий затвор, а транзистор справа имеет узкий длинный затвор.

[5] Для получения дополнительной информации о текущих зеркалах проверьте Википедию, любую книгу по аналогам IC или главу 3 Проектирование аналоговых микросхем.

[6] Дифференциальные пары также называются парами с длинными хвостами. В соответствии с Анализ и проектирование аналоговых интегральных схем дифференциальная пара — это, пожалуй, наиболее широко применяемые двухтранзисторные подсхемы в монолитных аналоговые схемы.» (стр.214) Для получения дополнительной информации о дифференциальных парах см. Википедию, любую книгу по аналоговым микросхемам или главу 4 Проектирование аналоговых микросхем.

[7] Поскольку КМОП потребляет энергию только при изменении состояния цепей, потребляемая мощность примерно пропорциональна частоте. Это основное ограничение тактовой частоты процессора: чип будет перегреваться, если будет работать слишком быстро.

[8] Обратите внимание, что три резистора делителя напряжения расположены параллельно и рядом друг с другом. Это помогает гарантировать, что они имеют одинаковое сопротивление, даже если в кремнии есть электрические колебания.