555定时器芯片是如何工作的？

一、555定时器芯片概述

说到振荡器，不得不提555定时器芯片。它可以用于定时、触发、脉冲产生和振荡电路，所有和时钟相关的领域都可以考虑采用。

由于其易用性、低廉的价格和良好的可靠性，这颗芯片在业内很流行，成为很多学生、创客在电子DIY制作中热爱的经典IC。

Lowe Doug在“Electronics All-in-One For Dummies”书中说道，555芯片从1971年推出，已成为世界上年产量最高的芯片之一，根据2003～2017年的统计，基本上年产量都高达10亿颗！

你熟悉的许多厂家都生产555芯片，如TI、NI、ST。不同的制造商生产的555芯片有不同的结构或工艺，以满足特定的功耗、工作条件需求：

图2-NE555/TLC555/LM555等型号来源

二、555定时器的引脚

标准的555芯片是DIP-8封装，其引脚如下：

图3-555芯片DIP-8封装

引脚说明如下：

图4-555芯片引脚定义

对于刚上手的同学，主要是搞明白TRIG、THR、DIS三个引脚的用法，为此，我们从555芯片的内部构造说起。

三、555定时器的内部构造

标准的555内部由25个晶体管，2个二极管、15个电阻组成，其芯片内电路原理图如下：

图5-555芯片内部电路原理图

直接分析上图难度颇高，我们将其划分为多个基本的功能模块，理解起来就会容易很多：

图6-555芯片内部功能框图

可见，555芯片内部有：

• 3个5KΩ电阻连接Vcc和GND，构建Vcc 1/3和2/3的分压。（PS：很多人认为555芯片因为这三个5KΩ电阻而得名）
• 2个比较器C1和C2，上述两个分压分别作为比较器的参考电压。
• 1个RS触发器，R和S信号分别源自于上述两个比较器的输出信号。
• 2个三极管，其中，Q1集电极开路，用于连接电容。
• 1个反向器，RS触发器的输出端（非Q）经过反向器作为芯片输出。

首先来看“比较器”，它的工作原理很简单：

• 当正相（﹢）输入端的电压大于反相（-）输入端的电压，比较器的输出为正；
• 当正相（﹢）输入端的电压小于反相（-）输入端的电压，比较器的输出为负；

然后来看“RS触发器”：

• R指Reset（重置）的意思，S指Set（设置）的意思；
• 当R为高电平、S为低电平时，Q为低电平，NQ（非Q）为高电平；
• 当R为低电平、S为高电平时，Q为高电平，NQ（非Q）为低电平；
• 当R为低电平、S为低电平时，Q和NQ（非Q）保持；
• 当R为高电平、S为高电平时，Q和NQ（非Q）无效；

考虑到两个比较器C1、C2分别连接着TRIG（Trigger）、THR（Threshold）两个引脚，那么根据两个引脚的状况，RS触发器输出有：

图7-RS触发器真值表

譬如图中，当THR（Threshold）为0V，TRIG（Trigger）为0V，则C1输出低电平，C2输出高电平，故RS触发器置位，Q为高电平，NQ（非Q）为低电平。

OK，理解到这步就简单了，如果要产生振荡波形，就是和控制TRIG（Trigger）、THR（Threshold）引脚，怎么控制？肯定要引入电容啊。

四、555定时器作为非稳态振荡器

以555定时器作为非稳态振荡器（上篇所述的弛张振荡器）为例，它的外围电路配置如下：

图8-555非稳态振荡器电路图

上图中：

• TRIG（Trigger）、THR（Threshold）共同连接到C1。
• Vcc通过R1和R2可以对C1充电。
• NQ（非Q）为高电平，三极管导通，DIS（Discharge）引脚接地，C1通过R2进行放电。

这种巧妙的设计，会让电容产生周期充放电，继而TRIG（Trigger）、THR（Threshold）产生周期性变化，并控制了555芯片的输出（见上图时序图）。

振荡波形频率为F=1.4/((R1+2*R2)*C1).

我们来看下仿真效果：

图9-555芯片仿真效果

由于555芯片输出端具有200mA的驱动能力，驱动LED没什么问题，实验效果如下：

图10-555芯片LED点灯闪烁