555时基电路的基本特性和用法

555 时基电路的基本特性和用法 我们在使用 555 时基电路之前应该先了解它的基本特性。按照集成电路的分类方法，数字集成电路以 外的集成电路都归入模拟集成电路中，因此关于 555 时基电路的特性可以从非线性模拟集成电路手册中查 找。 一、555 电路的型号、封装和引脚 1型号 我国目前广泛使用的 555 时基电路的统一型号是：双极型为 CB555，CMOS 型为 CB7555。这两种电路 每个集成片内只有一个时基电路，称为单时基电路。此外还有一种双时基电路，在一个集成片内包含有两 个完全相同、又各自独立的时基电路。它们的型号分别是 CB556 和 CB7556。表 1 列出它们的型号和与之 对应的国内、国外常用的型号。 2封装和引脚 555 单时基电路的封装有 8 脚圆形和 8 脚双列直插型两种。圆形集成电路引脚的编号方法是把引脚朝 下，带标志的引脚置于上倒，从带标志的引脚左边开始按逆时针方向顺序编号，见图 1（a）。双列直插 型单时基电路的引脚编号方法是把集成片平放，从带标志的引脚开始按逆时针方向顺序编号，见图 1（b）。556 双时基电路的封装只有 14 脚双列直插型一种。引脚按双列直插型集成电路的统一方法编号， 见图 1（C）。 CB555（CB7555）单时基电路各引脚的作用见图 1（a）、（b）和图 2。6 脚是阈值输入端 TH，2 脚是 触发输人端 ，5 脚是控制端 VC，4 脚是主复位端 ，8 脚是电源正极 Vcc 或 VDD。3 脚是输出端 VO，7 脚是 放电端 DIS，1 脚是公共地端 GND 或 VSS。对双时基电路 CB556（CB7556)来讲，两个时基电路共用一个电 源端（14）一个地端（7），其余 12 个脚按左右分开，各为一个独立的时基电路，见图 1（c）。为了便 于应用，在图 2 上，用圆圈内的数码表示出单时基电路的引脚号。在小方框内用斜线隔开的 2 个数码表示 出双时基电路左右两个时基电路的引脚号。例如 59 表示左边时基电路输出端 V01 的引脚号是 5，右边 时基电路输出端 V02 的引脚号是 9。 双极型和 CMOS 型 555 电路的内部电路和参数虽然不同，但它们的引脚编号和功能是完全相同的。 二、555 时基电路的主要参数 为了正确使用 555 时基电路，必须对它的基本特性有所了解。双极型和 CMOS 型时基电路在电特性上 是有差别的，应该分别给出。至于双时基电路和单时基电路，除了静态电流，双时基电路应该是单时基电 路的一倍以外，其余参数是完全相同的。所以只要列出 CB 555 和 CB 7555 的主要参数并予以说明就可以 了。 1电源电压和静态电流 CB 555 使用的电源电压是 4516 伏，CB 7555 的电压范围比较宽，可以从 318 伏。静态电流也 叫电源电流，是空载时消耗的电流。在电源电压是 15 伏是，CB 555 的静态电流典型值是 10 mA，CB 7555 是 012mA。电源电压和静态电流的乘积就是静态功耗。可见 CMOS 型时基电路的静态功耗远小于双 极型时基电路。 2定时精度 555 电路在作定时器使用时，CB555 和 CB7555 的定时精度分别是 l和 2。 3阈值电压和阈值电流 当 555 电路阈值输入端所加的电压=2/3Vcc（或*VDD）时，能使它的输出从高电平 1 翻转成低电平 0。电压值 2/3VCC 就是它的阈值电压 VTH。促使它翻转所需的电流称为阈值电流 ITH。 CB555 的 ITH 值约 为 01mA；而 CB 7555 的 ITH 值只需 50pA（1pA=106mA）。 4触发电压触发电流 当 555 电路触发输入端所加的电压=1/3Vcc（或 VDD）时，能使它的输出从 0 翻转成 1。电压值 1/3Vcc 就是它的触发电压 VTR。促使它翻转所需的电流称为触发电流 ITR。CB555 的 ITR 值约为 05mA； 而 CB7555 的 ITR 值只需 50pA。 5复位电压和复位电流 在 555 电路的主复使端 上加低电平可以使输出复位，即 V0=0。所加的复位电压 VMR 应低于 1 伏。复 位端所需的电流称为复位电流 IMR。CB555 的 IMR 约为 400mA；而 CB7555 的 IMR 只需 0.1mA。 6放电电流 555 电路在作定时器或多谐振荡器使用时，常常利用放电端给外接电容一个接地放电的通路。从图 2 看到，放电电流要通过放电管 VT1，因此它的电流要受到限制，电流太大会把放电管烧坏。规定 CB 555 的放电电流 IDIS 不大于 200mA。CB7555 因为受 MOS 管几何尺寸的限制，放电电流 IDIS 的值比较小，约在 10 50mA 之间，而且是随电源电压 VDD 的数值变化的；使用的电源电压越高，放电电流值越大。 7驱动电流 驱动电流是指 555 电路向负载提供的电流，也叫负载电流 IL。根据 555 电路的输出状态和负载的接 法可以分成拉出电流和吸入电流两种。当输出是高电平而负载的一端接地时，负载电流从 555 电路内部流 出经过负载入地，因此称为拉出电流，见图 3（b）。当输出是低电平而负载的一端接在电源正极时，负 载电流从电源正极通过负载流入 555 内部后入地，因此称为吸入电流，见图 4（C）。这两种电流都起到 驱动负载的作用，因此统称为负载电流或驱动电流。对 CB 555 来讲，这两种电流的最大值都是 200mA。 对 CB 7555 来讲，吸入电流稍大，大约是 520mA；拉出电流较小，约是 15mA。而且它们的数值也是随 着电源电压的提高而增大的。 8最高工作频率 555 电路在作振荡器使用时，输出脉冲的最高频率可达 500 千赫。 555 电路的主要参数见表 2。 三、使用 555 电路时的注意事项。 1负载的接法 555 电路的输出有高电平和低电平两种状态，好象它内部有一个控制开关能自动动作。当输出是高电 平时开关向上，输出端 VO 通过输出内阻 R01 接到电源正端。见图 3（b）和图 4（b）。当输出是低电平时 开关向下，输出端 VO 通过输出内阻 R02 接到公共地端，见图 3（C）和图 4（c）。CB 555 的两个输出内 阻都是十几欧。CB7555 的 R01 值较大，约为几百欧；R02 值较小，只有几十欧。 由于 555 电路有两种输出状态，所以负载的接法有两种。 第一种接法是把负载接在 555 电路输出端 VO 和地之间，这是最常用的接法，（a）。在这种接法 下当输出是高电平（VO=1）时，内部开关接到 R01 上，见图 3（b）。这时电流从电源正端经过内阻 R01 流入负载 RL 后入地，是从 555 电路向外流进负载的，所以称为拉出电流或输出电流。当输出是低电子 （V0=0）时，内部开关接到 R02 上，见图 3（C）。这时负载中没有电流。 第二种接法是把负载接在电源正端和 555 电路输出端 Vo 之间，如图 4（a）。在这种接法下，当输出 是高电平（Vo=1）时，内部开关接到 R01 上，见图 4（b）。这时负载中没有电流。只有当输出是低电平 （VO=0）时，内部开关接到 R02 上，如图 4（C）时负载中才有电流流通。这时电流是从电源正端经负载 RL 和内阻 R02 后入地的，是从外面流进 555 电路的，所以称为吸入电流或灌入电流。 由于有两种接法，所以在连接负载时应该根据 555 电路的输出状态和负载的要求来决定负载的连接方 法。例如在使用 CB7555 时为了取得较大的驱动电流，可以选择第二种接法。如果负载是继电器，则因为 继电器有常开接点和常闭接点两种不同的接点可供选择，因此使得 555 电路更加变化多端，灵活方便。 2负载能力的扩大 从驱动电流这个参数来看， CB 555 的驱动能力较大，可以直接带动小型继电器、微电机和低阻抗 扬声器。CB7555 的驱动能力较小，只能使用 LED 指示灯、压电陶瓷蜂鸣器等负载。要想使 CB7555 有更大 的驱动能力，可以在输出端加一级驱动放大器。即把 555 电路输出端 VO 接到晶体管 VT1 的基极，把负载 RL 接到晶体管的集电极或发射极回路中，如图 5。这样就可把负载电流扩大到 100mA 上下，足以带动继电 器、微电机等负载。 3CB555 与 CB7555 的性能比较和选用 从以上介绍看到， CB 556 的突出优点是驱动能力强，而 CB 7555 的突出优点是电源电压范围宽、 输入阻抗高、功耗低。因此在实际应用中，在负载轻、要求功耗低和使用较低电源电压以及定时要求长 （定时电阻10 兆欧）的场合，应核选用 CB7555 或 CB7556。而在负载较重的场合则应选用 CB 555 或 CB556。 4. 注意特殊型号和特殊封装 在使用中有时会遇到一些特殊型号和特殊封装，这时首先应核查阅资料，弄清它们的型号、封装和引 脚以及电特性。例如日本三菱公司的 M51841 是时基电路；而美国国家半导体公司的 MM555 是模拟门开关 电路。 555 时基电路的单稳态工作方式和应用 555 电路有单稳态、双稳态和无稳态 3 种基本工作方式。用这 3 种方式中的 1 种或多种组合起来可以 组成各种实用的电子电路，如定时器、分频器、脉冲信号发生器、元件参数和电路检测电路、玩具游戏机 电路、音响告警电路、电源交换电路、频率变换电路、自动控制电路等等。 让我们先从 555 的单稳电路开始。 一、什么是单稳电路 所谓单稳电路就好象是一扇弹簧门。平时老是保持着关闭的状态，只有在外力推动时它才会打开；但 在开了一会儿之后它又会自动关闭。我们把关闭状态叫做“稳态”，而把从推开门到恢复到关闭这一段时 间的状态叫做“暂稳态”。 555 的单稳电路由 555 电路本身和一个 RC 定时电路两大部分组成。555 电路的输入端就接在定时电 路中的定时电容 CT 上。在第 1 讲中已介绍过：可以把 555 电路看成是一个特殊的 R-S 触发器，它的两个 输人端的触发电平要求不同，阈值要求也不同。因此，555 单稳电路的工作过程大致是：先取这个特殊触 发器两种状态中的一种作为单稳电路的稳态。然后用输入脉冲或人工板动开关等方法去启动这个电路，使 它从原来的稳态转到另一种状态，即进人暂稳态。与此同时，开始给定时电容 CT 充电，等 CT 上的电压 达到阈值电压时，这个特殊的触发器就会从暂稳态又翻转回到原来的稳态。从暂稳态开始到完全恢复成稳 态的这段时间就是暂稳态的时间。假定翻转的时间小到可以忽略不计，显然，暂稳态持续的时间只和定时 电路中电阻电容的数值有关而和 555 电路以及触发脉冲天关。触发脉冲在这里只是起着启动或开关的作用。 至于稳态和暂稳态究竟是高电平还是低电平，根据电路的要求决定。 可见 555 单稳电路中的两大部分的分工是：555 时甚电路本身好比是一扇门，它只管开或关；定时电 路则是控制开门的时间长短。这两大部分是必不可少的。 二、两种 555 单稳电路 常用的 555 单稳电路有 2 种：第 1 种是把 2 个输入端都接到定时电容 CT 上，用开关人工启动的电路。 第 2 种是把阈值端 TH 和放电端 DIS 接到定时电容 CT 上，用脉冲从触发端 输入启动的电路。第 1 种电路 常用作定时控制，第 2 种电路的用途比较广，除定时控制外，还可作分频器、脉冲信号发生器、元件参数 检测、脉冲失落检测、脉冲宽度检测以及玩具游戏机电路等。 1人工启动式 这种单稳电路是把阈值端 TH（6）和触发端 （2）同时接在定时电容 CT 上，在定时电容两端并联一 个按钮开关 SB，用人工按动开关的方法来启动这个电路。定时电路中电阻 RT 和电容 CT 的数值是由定时 时间的要求决定的。为了保证电路可靠地工作，总复位端 （4）应该接到电源正端，电压控制端 VC（5） 在不使用时应该接 1 个容量为 001 微法的电容防止干扰。放电端 DIS（7）不用时可以悬空，见图 1（a）。 现在来看看它的稳态和暂稳态以及它们的转换过程。 （1）稳态：电路接上电源后，电容 CT 上的电压很快被充到等于电源电压 VCC。按第 1 讲的方法把 555 电路简化成 1 个特殊的触发器，因为放电端 DIS 悬空不用可以略去不画，于是可以把图 1（a）简化成 图 1（b）。可以看到：因为 CT 上的电压等于 VCC：VCT=VCC，对于这个特殊的触发器来讲，它的两个输入 端都是高电平：即 R=1、 =1。对照这个特殊触发器的逻辑功能表，它的输出应接是低电平，即 VO=0。它 就是这个单稳电路的稳态。 （2）暂稳态：按一下按钮开关 SB，电容 CT 上的电压很快降到零：VCT=0。对这个特殊的触发器来讲， 两个输人端都是低电平：R=0、 =0。对照它的逻辑功能表，它的输出应该转成高电平，即 VO=1。当按钮 开关放开后，这个特殊的触发器保持输出高电平，同时电源电压向定时电容 CT 充电，暂稳态开始，见图 1（C）。 经过一段时间 ta 之后，CT 上的电压上升到 VCT23 Vcc，即达到触发器翻转的阈值电压时，这个 特殊触发器的输入端都成为高电子：R=1、 =1，于是它的输出又立即翻转成低电平。即 VO=0。也就是暂 稳态结束，又回到稳态。 555 电路的输出从低电平翻转到高电平以后到再一次恢复到低电平的这段时间就是单稳电路的暂稳态 时间 td。它也叫做定时时间或延时时间。它是和定时电路中 RT 和 CT 的数值有关的；RT 和 CT 的数值越大， 定时时间 td 越长。它们之间的关系: td=1.1RTCT。RT 的单位是欧姆、CT 的单位是法拉、td 的单位是秒。 例如：RT 是 1 兆欧、CT 是 1 微法时， td=11 秒。 这是 555 单稳工作方式的第 1 种电路。但是在具体应用时它会有很多变型。例如定时电容和定时电阻 的位置，可以是电阻在上电容在下，也可以是电容在上电阻在下；负载的按法也有接在 VO 与地之间或接 在 VO 与 Vcc 之间；人工启动的开关可以并联在电容 CT 上，也可以串联在电源中等等。于是使得电路变得 更加复杂难以识别。但只要抓住这个电路的 2 个特点：有一个 RC 定时电路，2、6 输入端同时接在定时 电容 CT 上，用人工扳动开关或类似的方法触发启动的，就能确定它是属于人工启动式的单稳电路。 2、脉冲启动式 555 单稳工作方式的第 2 种基本电路和第 1 种基本电路不同的地方是；把阈值端 TH（6）和放电端 DIS（7）同时接到定时电容 CT 上使电容有自动快速放电的功能；用触发器 （2）作脉冲输入启动端， 平时要求接高电平，输入负脉冲时才能使电路启动。其它各端的接法和第 1 种基本电路相同。见图 2（a）。 现在来看看这个电路是怎样工作的。 （1）稳态：电源接通后，因为触发端 平时接高电平，对这个特殊的触发器来讲，它的 输入端是高 电平： =1，所以它的输出被置成零：VO=0。内部放电开关 SA 接通，DIS 端接地，定时电容 CT 上电压为 0，这个特殊触发器的另一输入端为 R=0。因此它的输出保持低电平：VO=0。这