最全555定時(shí)器芯片內(nèi)部電路分析

555定時(shí)器芯片由于使用方便靈活，應(yīng)用非常廣泛。常用在波形的產(chǎn)生與變化、測(cè)量與控制等許多領(lǐng)域。

家用電器、電子玩具中都很常見(jiàn)，是非常經(jīng)典的一款芯片。

究竟有多經(jīng)典，甚至可以出它的手辦模型。

由于廣受市場(chǎng)歡迎，許多芯片公司都各自推出了555定時(shí)器芯片。

盡管產(chǎn)品型號(hào)繁多，芯片內(nèi)部電路的實(shí)現(xiàn)不盡相同，但他們最終實(shí)現(xiàn)的功能和外部引腳的排列完全相同。

網(wǎng)上有很多555定時(shí)器做的應(yīng)用電路，但是講解都非常粗陋簡(jiǎn)略，可讀性很差，比如這樣的文章：

下面就以其中一款555定時(shí)器芯片為例，分析芯片的內(nèi)部電路，講解其工作原理。

只要了解了芯片的工作原理，看各種芯片的應(yīng)用電路時(shí)就會(huì)得心應(yīng)手。

目錄：

一、芯片引腳定義

二、芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

三、等效圖組成說(shuō)明

四、等效圖各功能區(qū)分析：分壓電路 電壓比較器

五、等效圖各功能區(qū)分析：RS觸發(fā)器

六、等效圖各功能區(qū)分析：電壓比較器 RS觸發(fā)器

七、等效圖各功能區(qū)分析：555定時(shí)器芯片的PIN5（第5腳）

八、等效圖各功能區(qū)分析：555定時(shí)器芯片的PIN3（第3腳）

九、等效圖各功能區(qū)分析：555定時(shí)器芯片的PIN4（第4腳）、PIN7（第7腳）

十、最后

一、芯片引腳定義

555定時(shí)器有8個(gè)腳，各腳定義如下。

各腳的詳細(xì)定義見(jiàn)下表。（英文名稱均為縮寫(xiě)）

二、芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

打開(kāi)555定時(shí)器的數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以看到芯片的內(nèi)部電路。

用不同顏色劃分一下電路的功能區(qū)塊。

包括：

1. Threshold Comparator(門(mén)限比較器，就是個(gè)電壓比較器)

   
   

2. Trigger Comparator(觸發(fā)比較器，就是個(gè)電壓比較器)

   
   

3. Voltage Divider(分壓電路)

   
   

4. Flip-Flop(觸發(fā)器，這里也叫RS觸發(fā)器、復(fù)位/置位觸發(fā)器、SR鎖存器)

   
   

5. Output(輸出電路)

   
   

6. Discharge(放電電路)

   
   

看起來(lái)有點(diǎn)復(fù)雜，等效簡(jiǎn)化為下圖后就一目了然啦。

三、等效圖組成說(shuō)明

C1和C2就是兩個(gè)電壓比較器，即上文提到過(guò)的Threshold Comparator(門(mén)限比較器)和Trigger Comparator(觸發(fā)比較器)。

Flip-Flop(觸發(fā)器)，這里又叫RS觸發(fā)器。

輸出腳有個(gè)反相器。能將輸入的低電平反相為高電平輸出，同樣能將輸入的高電平反相為低電平輸出。（高電平可以簡(jiǎn)單理解為電壓接近電源電壓Vcc，低電平可以簡(jiǎn)單理解為電壓接近0）

Reset(復(fù)位)和Discharge(放電)：

PIN4為輸入引腳，為低電平時(shí)整個(gè)芯片處于復(fù)位狀態(tài)，芯片不可用。

PIN7是放電引腳，用來(lái)給外部電路放電。

Voltage Divider(分壓電路)。

四、等效圖各功能區(qū)分析：分壓電路 電壓比較器

3個(gè)5kΩ電阻將Vcc電壓三等分。

2/3Vcc輸入到電壓比較器C1的反向輸入端。

1/3Vcc輸入到電壓比較器C2的正向輸入端。

Vcc電壓的范圍，需要查看芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)，這里的數(shù)據(jù)手冊(cè)標(biāo)示為5V到15V。

假設(shè)Vcc為9V時(shí)，2/3Vcc = 6V，1/3Vcc = 3V。

對(duì)于電壓比較器來(lái)說(shuō)，當(dāng)"正向輸入端的V1" > "反向輸入端的V2”時(shí)，輸出Vout = High高電平。

當(dāng)"正向輸入端的V1" < "反向輸入端的V2”時(shí)，輸出Vout = Low低電平。

所以當(dāng)555定時(shí)器第6腳為7V時(shí)，電壓比較器C1的"同相輸入端(7V)" > "反向輸入端(6V)"，電壓比較器C1輸出HIGH高電平。

當(dāng)555定時(shí)器第6腳為0V時(shí)，電壓比較器C1的"同相輸入端(0V)" < "反向輸入端(6V)"，電壓比較器C1輸出LOW低電平。

五、等效圖各功能區(qū)分析：RS觸發(fā)器

電壓比較器C1、C2將電壓比較的結(jié)果輸出給RS觸發(fā)器。

RS觸發(fā)器有兩個(gè)輸入腳，分別為R和S：

R代表Reset（復(fù)位）;

S代表Set（置位）。

RS觸發(fā)器兩個(gè)輸出腳，分別為Q和非Q（“非Q”的符號(hào)是在Q的上面有一個(gè)橫杠）：Q和非Q的電平，在一般情況下互為相反，即Q為高電平，那么非Q為低電平。

其內(nèi)部是由兩個(gè)“或非門(mén)”組成。

在下面我們將看到在RS觸發(fā)器定義里的三個(gè)特性。

特性1：S、R為高電平有效。即S為高電平，就會(huì)把Q置位為1；R為高電平，就會(huì)把Q復(fù)位為0。

特性2：S、R同時(shí)為低電平時(shí)，Q和非Q將保持原來(lái)的狀態(tài)不變。

特性3：S和R不能同時(shí)為高電平。這是RS觸發(fā)器的定義規(guī)定的，但實(shí)際在555定時(shí)器的應(yīng)用里，是可能出現(xiàn)其內(nèi)部RS觸發(fā)器的S和R同時(shí)為高電平的這種情況，稍后將展開(kāi)討論。

來(lái)看RS觸發(fā)器的輸入輸出關(guān)系：

1、當(dāng)S、R分別輸入為HIGH、LOW時(shí)，Q被置位為HIGH，與之對(duì)應(yīng)非Q為L(zhǎng)OW。（特性1）

2、此時(shí)將S、R分別改為輸入LOW、LOW時(shí)，Q、非Q將保持原來(lái)的狀態(tài)，即仍為HIGH、LOW。（特性2）

3、當(dāng)S、R分別輸入為L(zhǎng)OW、HIGH時(shí)，Q被復(fù)位為L(zhǎng)OW，與之對(duì)應(yīng)非Q為HIGH。（特性1）

4、此時(shí)將S、R分別改為輸入LOW、LOW時(shí)，Q、非Q將保持原來(lái)的狀態(tài)，即仍為L(zhǎng)OW、HIGH。（特性2）

5、當(dāng)S、R分別輸入為HIGH、HIGH時(shí)，Q和非Q均為L(zhǎng)OW。（見(jiàn)特性3，此為RS觸發(fā)器定義里禁止出現(xiàn)的狀態(tài)，可以看出此時(shí)Q和非Q的狀態(tài)也不是相反的了，變成了相同的LOW）

為什么在RS觸發(fā)器的定義里，要禁止出現(xiàn)這種狀態(tài)呢？因?yàn)?span>S、R同時(shí)為HIGH時(shí)，后續(xù)如果S、R是都變成LOW，那么由于S、R在都變成LOW的過(guò)程中，時(shí)間先后上總有細(xì)微的誤差，S、R可能先變成LOW、HIGH，也可能先變成HIGH、LOW，這導(dǎo)致Q和非Q的狀態(tài)不能確定。

當(dāng)S比R先變成LOW時(shí)，最終Q和非Q分別為L(zhǎng)OW、HIGH：

當(dāng)R比S先變成LOW時(shí)，最終Q和非Q分別為HIGH、LOW：

所以在分析555定時(shí)器內(nèi)部電路時(shí)，要謹(jǐn)記RS觸發(fā)器的S、R為HIGH、HIGH時(shí)，避免下一步就變?yōu)長(zhǎng)OW、LOW。

另外，由于555定時(shí)器里面只使用了非Q，沒(méi)有使用Q，所以我們只看非Q就好了。

六、等效圖各功能區(qū)分析：電壓比較器 RS觸發(fā)器

1、PIN6、PIN2分別輸入0V、0V時(shí)：

①、電壓比較器C1比較兩個(gè)輸入端的電壓，最后輸出Low到RS觸發(fā)器的R端。

②、電壓比較器C2比較兩個(gè)輸入端的電壓，最后輸出High到RS觸發(fā)器的S端。

③、R、S分別為L(zhǎng)ow、High，RS觸發(fā)器最終在非Q端輸出Low。

2、PIN6、PIN2分別輸入0V、9V時(shí)：

①、電壓比較器C1比較兩個(gè)輸入端的電壓，最后輸出Low到RS觸發(fā)器的R端。

②、電壓比較器C2比較兩個(gè)輸入端的電壓，最后輸出Low到RS觸發(fā)器的S端。

③、R、S分別為L(zhǎng)ow、Low，RS觸發(fā)器最終在非Q端輸出Low，即保持原來(lái)的狀態(tài)。

3、PIN6、PIN2分別輸入9V、9V時(shí)：

①、電壓比較器C1比較兩個(gè)輸入端的電壓，最后輸出High到RS觸發(fā)器的R端。

②、電壓比較器C2比較兩個(gè)輸入端的電壓，最后輸出Low到RS觸發(fā)器的S端。

③、R、S分別為High、Low，RS觸發(fā)器最終在非Q端輸出High。

4、PIN6、PIN2分別輸入9V、0V時(shí)：

①、電壓比較器C1比較兩個(gè)輸入端的電壓，最后輸出High到RS觸發(fā)器的R端。

②、電壓比較器C2比較兩個(gè)輸入端的電壓，最后輸出High到RS觸發(fā)器的S端。

③、R、S分別為High、High，RS觸發(fā)器最終在非Q端輸出Low。（如前所述，這里要注意避免R、S在下一步是變?yōu)長(zhǎng)OW、LOW）

七、等效圖各功能區(qū)分析：555定時(shí)器芯片的PIN5（第5腳）

555定時(shí)器的PIN5是控制閾值電壓腳。

PIN5接到電壓比較器C1的反向輸入端，可以讓人直接控制電壓比較器C1的閾值電壓。

八、等效圖各功能區(qū)分析：555定時(shí)器芯片的PIN3（第3腳）

555定時(shí)器的PIN3是芯片的輸出腳。

PIN3和RS觸發(fā)器的非Q之間有1個(gè)反相器。

當(dāng)非Q輸出HIGH時(shí)，PIN3輸出LOW，兩者為反相關(guān)系。

九、等效圖各功能區(qū)分析：555定時(shí)器芯片的PIN4（第4腳）、PIN7（第7腳）

555定時(shí)器的PIN4是芯片的復(fù)位腳。當(dāng)PIN4被接到低電平時(shí)，整個(gè)555定時(shí)器芯片被復(fù)位，PIN3將輸出LOW。（圖中三極管Q2的發(fā)射限流電阻未畫(huà)出）

555定時(shí)器的PIN7是芯片的放電引腳。對(duì)外放電時(shí)，內(nèi)部三極管Q1導(dǎo)通。（圖中三極管Q1的基極限流電阻未畫(huà)出）

十、最后

555定時(shí)器芯片的輸入輸出特性功能表總結(jié)如下，分為5種狀態(tài)，后續(xù)在分析555定時(shí)器的應(yīng)用電路時(shí)可借助該表進(jìn)行分析：

注：在“狀態(tài)5”時(shí)，下一步不能變成“狀態(tài)3”，否則將導(dǎo)致輸出結(jié)果不能確定。

至此，555定時(shí)器芯片內(nèi)部電路的分析到此完畢，是不是感覺(jué)有點(diǎn)意猶未盡？

那是因?yàn)楸疚膬H僅對(duì)芯片內(nèi)部的電路做了分析，沒(méi)有對(duì)芯片的應(yīng)用電路做實(shí)例分析。所謂的空有內(nèi)功心法，但是沒(méi)有練過(guò)一招一式。

后續(xù)看到各種不同廠家生產(chǎn)的555定時(shí)器芯片所做成的應(yīng)用電路時(shí)，可以參考本文講解的芯片工作原理，多看多分析，積累越來(lái)越多的招式。

最后，關(guān)于電路的學(xué)習(xí)，希望大家，Enjoy!

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