555时基电路工作原理

第一节概述第二节555时基集成电路的结构和工作原理§6.2.1双极型555时基电路的结构和工作原理§6.2.2CMOS型555时基电路的结构和工作原理§6.2.3双极型555和CMOS型555的性能比较第三节施密特触发器第四节单稳态触发器第五节多谐振荡器第六章脉冲波形的产生与整形数字电路中的信号都是脉冲信号，这种信号的产生、整形与变换电路的作用是产生各种不同脉宽和幅值的脉冲波形，或者对不同脉宽和幅值的脉冲波形进行整形和变换，或者完成连续模拟信号与脉冲信号之间的相互变换等。数字电路中使用脉冲信号大多是矩形脉冲波，矩形脉冲波波形的好坏，将直接影响数字电路的正常工作。矩形脉冲波的波形图如图6.1.1所示。为了描述矩形波的波形好坏，对矩形波定义了下列一些描述参数。§6.1概述6.1.1描述矩形脉冲波的主要参数①脉冲幅值Vm——脉冲波形变化时电路幅值变化的最大值。②脉冲宽度tw——从脉冲波形的上升沿上升至0.5Vm开始，到下降沿下降至0.5Vm为止的时间间隔。③上升时间tr——在脉冲波形的上升沿，从0.1Vm上升至0.9Vm所需要的时间。④下降时间tf——在脉冲波形的下降沿，从0.9Vm到0.lVm所需的时间。⑤脉冲周期T——在周期性重复的脉冲序列中，相邻两脉冲的时间间隔。⑥脉冲频率f——在周期性重复的脉冲序列中，单位时间内脉冲重复的次数，即f=1/T。⑦占空比D——脉冲波形的脉冲宽度tw与脉冲周期T之比，即D=tw/T。6.2.1555时基电路的特点和封装§6.2555时基集成电路的结构和工作原理555时基电路大量应用于电子控制、电子检测、仪器仪表、家用电器、音响报警、电子玩具等诸多方面。还可用作振荡器、脉冲发生器、延时发生器、定时器、方波发生器、单稳态触发振荡器、双稳态多谐振荡器、自由多谐振荡器、锯齿波发生器、脉宽调制器、脉位调制器等等。555时基电路之所以得到这样广泛的应用，在于它具有如下几个特点：①555在电路结构上是由模拟电路和数字电路组合而成，它将模拟功能与逻辑功能兼容为一体，能够产生精确的时间延迟和振荡。它拓宽了模拟集成的应用范围。②该电路采用单电源。双极型555的电压范围为4.5V~15V；而CMOS型的电源适应范围更宽，为2V~18V。这样，它就可以和模拟运算放大器和TTL或CMOS数字电路共用一个电源。一、555时基电路的特点③555可独立构成一个定时电路，且定时精度高，所以常被称为555定时器。④555的最大输出电流可达200mA（双极型）,带负载能力强。可直接驱动小电机、喇叭、继电器等负载。二、555时基电路的封装和命名（1）命名规则：＃所有双极型产品型号最后的3位数码都是555；＃所有CMOS产品型号最后的4位数码都是7555；＃所有双极型双定时器产品最后的3位数码都是556；＃所有CMOS双定时器产品最后的4位数码都是7556；＃双极型和CMOS型555定时器的功能和外部引脚的排列完全相同。（2）常见封装形式图6.2.1555和556时基电路的封装示意图一、双极型555时基电路的工作原理（1）美国无线电公司生产的CA555时基电路图6.2.2是美国无线电公司生产的CA555时基电路的内部等效电路图。6.2.2555时基电路的工作原理图6.2.2CA555时基电路的内部等效电路图TRTH双稳态触发器推挽式功率输出IO=200mAImax50mA2/3VCC1/3VCC555电路可简化为下图6.2.3所示的等效功能电路。显然555电路内含两个比较器A1和A2、一个触发器、一个驱动器和一个放电晶体管。图6.2.3CA555时基电路的等效功能电路图Q2/3VCC1/3VCC置位－复位触发器表6.2.1CA555引出端真值表SMR引脚2()6(R)4()3(V0)7(Q)功能电平**＜0.3V低电平低电平强制复位电平≤1/3Vcc*＞1.4V高电平悬空状态置位电平＞1/3Vcc＜2/3Vcc＞1.4V保持电平保持保持电平＞1/3Vcc≥2/3Vcc＞1.4V低电平低电平复位由表6.2.1可看出，、R、的输入不一定是逻辑电平，可以是模拟电平，因此，该集成电路兼有模拟和数字电路的特色。SMR（2）国产双极型定时器CB555时基电路图6.2.4CB555时基电路的等效功能电路图复位触发置位触发强制复位控制电压放电端输出端置位－复位触发器表6.2.2CB555引出端真值表输入输出VI1VI2VOTD状态0xx低导通12/3VCC1/3VCC低导通12/3VCC1/3VCC不变不变12/3VCC1/3VCC高截止12/3VCC1/3VCC高截止DR二、CMOS型555时基电路的工作原理CMOS型555时基电路在大多数应用场合，都可以直接代换标准的双极型的555。它与所有CMOS型电路一样，具有输入阻抗高、功耗极小、电源适应范围宽等一系列优点，特别适用于低功耗、长延时等场合。但它的输出驱动能力较低（最大负载电流4mA），不能直接驱动要求较大的电流的电感性负载。图6.2.5是5G7556（ICM7556）的内部等效电路图。200KA1A2双稳态触发器CMOS反相器输出图6.2.6CMOS型555等效功能方框图复位触发置位－复位触发器当上比较器A1的同相输入端R的电位高于反相输入端电位2/3Vcc时，A1输出为高电平，RS触发器翻转，输出端V0为逻辑“0”电平。即当VTH2/3Vcc时，V0为“0”电平，处于复位状态；而当置位触发端的电位，即Vs≤1/3Vcc时，A2输出为“1”，RS触发器置位，输出端V0为“1”电平。可见，图6.2.6所示的功能框图相当于一个置位-复位触发器。CMOS型555/556的四种工作状态情况，与表6.2.1所示类同。6.2.3双极型555和CMOS型555的性能比较双极型555和CMOS型555的共同点：①二者的功能大体相同，外形和管脚排列一致，在大多数应用场合可直接替换。②均使用单一电源，适应电压范围大，可与TTL、HTL、CMOS型数字逻辑电路等共用电源。③555的输出为全电源电平，可与TTL、HTL、CMOS型等电路直接接口。④电源电压变化对振荡频率和定时精度的影响小。对定时精度的影响仅0.05％/V，且温度稳定性好，温度漂移不高于50ppm/oC。双极型555与CMOS型555的差异：①CMOS型555的功耗仅为双极型的几十分之一，静态电流仅为300µA左右，为微功耗电路.②CMOS型555的电源电压可低至2~3V；各输入功能端电流均为pA(微微安)量级。③CMOS型555的输出脉冲的上升沿和下降沿比双极型的要陡，转换时间短。④CMOS型555在传输过渡时间里产生的尖峰电流小，仅为2~3mA；而双极型555的尖峰电流高达300~400mA。⑤CMOS型555的输人阻抗比双极型的要高出几个数量级，高达1010Ω。⑥CMOS型555的驱动能力差，输出电流仅为1~3mA，而双极型的输出驱动电流可达200mA.一般说来，在要求定时长、功耗小、负载轻的场合宜选用CMOS型555；而在负载重、要求驱动电流大、电压高的场合，宜选用双极型的555。施密特触发器（电路）是一种特殊的双稳态时序电路，与一般双稳态电路比较，它具有两个明显的特点：1.施密特触发器是一种优良的波形整形电路，只要输入信号电平达到触发电平，输出信号就会从一个稳态转变到另一个稳态，且通过电路内部的正反馈过程可使输出电压的波形变得很陡。2.对正向和负向增长的输入信号，电路有不同的阈值电平，这是施密特触发器的滞后特性或回差特性，提高了干扰能力，可有效滤除噪声。§6.3施密特触发器SchmittTrigger施密特触发器的逻辑符号和电压传输特性如图6.3.1(a)和(b)所示。实际上它是一个具有滞后特性的反相器。图中，VT+称为正向阈值电平或上限触发电平；VT-称为负向阈值电平或下限触发电平。它们之间的差值称为回差电压(滞后电压)，用△VT表示。即有△VT=VT+-VT-6.3.1施密特触发器方框图和电压传输特性图6.3.1集成施密特触发器一、分立元件构成的施密特触发器早期的施密特触发器是由分立元件构成的。如下图6.3.2所示。6.3.2分立元件构成的施密特触发器值较小VT+0.7VT-0.7下面简单说明其工作原理：当触发器输入端不加输入信号，或者输入vI的电位较低时，只要使vBEl0.7V则VT1截止，其集电极输出vc1为高电平，通过电阻R1和R2分压，使VT2饱和，VT2集电极输出v0为低电平，这是一种稳定工作状态。当输入vI高于某一个电平时，只要使VT1饱和，vc1输出为低电平，通过R1和R2分压，使VT2截止，VT2集电极输出v0为高电平。这是另一种稳定工作状态。用分立元件构成施密特触发器已很少采用，一般均采用集成施密特触发器或用555电路来构成。二、用门电路组成的施密特触发器将两级反相器串接起来，同时通过分压电阻把输出端的电压反馈到输入端，就构成了施密特触发器电路。6.3.3用CMOS反相器构成的施密特触发器CMOS门，阈值电压2121RRVVDDTH，且11R1R2G1G2IvOv1Ov'Iv'Ov6.3.4图6.3.3电路的电压传输特性(a)同相输出(b)反相输出思考：1、如何调节回差电压的大小？2、为什么R1必须小于R2？3、如何用TTL门电路组成施密特触发器？图6.3.5带与非门TTL集成施密特触发器正反馈过程,R2!=R31.9V三、TTL集成施密特触发器7413设二极管导通压降为0.7V，当输入端电压vI使得vI′-vE=vBE10.7V时，VT1截止，VT2饱和导通。若vI逐步上升至VBE10．7V时，VT1导通,同时产生一个正反馈过程：vI′ic1vc1ic2vBE1vE从而使VT1迅速饱和导通，VT2迅速截止。若vI′从高电平逐渐下降，并且降至vBE1只有0.7V左右时，ic1开始减少，又引起另一个正反馈过程：vI′ic1vc1ic2vBE1vE使电路迅速返回VT1截止，VT2饱和导通状态。小结：1、无论T2由导通变截止还是由截止变导通，均伴有正反馈过程，使输出端电压VO变得很陡峭；2、由于R2R3，所以使T1饱和导通时的VE必然低于T2饱和导通时的VE值，因此，T1由截止变为导通的输入电压VT+高于T1由导通变为截止时的输入电压VT-，这样就得到了施密特触发特性。3、经计算可得此电路：VT+≈1.7VVT-≈0.8V△VT≈0.9V课后练习6.3.2用555定时器接成的施密特触发器图6.3.6用CB555定时器接成的施密特触发电路提高参考电压的稳定性RARPRB图6.3.7图6.3.6电路的电压传输特性由图6.3.7知这是一个典型的反相输出施密特触发器。如果参考电压由外接的电压VCO供给，则不难看出此时VT+=VCO，VT-=1/2VCO，ΔVT=1/2VCO，通过改变VCO值可以调节回差电压的大小。VT+=2/3VCCVT-=1/3VCC6.3.3施密特触发器的应用一、用于波形变换图6.3.8用施密特触发器实现波形变换脉冲展宽二、用于脉冲整形图6.3.9用施密特触发器实现脉冲整形传输线上电容较大传输线较长，阻抗不匹配其它脉冲叠加的噪声三、用于脉冲鉴幅图6.3.10用施密特触发器鉴别脉冲幅度四、构成多谐振荡器单稳态触发器的工作特性具有如下的显著特点：（1）电路在无外加触发信号作用期间，处于稳态；（2）在外界触发脉冲作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态；（3）暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数（阈值电压及外接R、C），与触发脉冲的宽度和幅度无关。§6.4单稳态触发器6.4.1用门电路组成的单稳态触发器一、微分型单稳态触发器图6.4.1是用CMOS门电路和RC微分电路构成的微分型单稳态触发器。对于CMOS电路，可以近似地认为VOH≈VDD、VOL≈0，而且通常VTH≈1/2VDD。在稳态下VI=0、VI2=VDD，故Vo=0、Vo1=VDD，电容C上没有电压。思考：vI脉宽该如何取？图6.4.1微分型单稳态触发器tw=?Vm=?当R