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设计缺陷?555定时器的电流尖峰问题

2022-08-24 16:31:24 Larry Stabile 阅读:
流行数十年的555定时器,业界不知晓的工程师应该寥寥无几!几乎所有的数字电路教材中都有该芯片的身影,要说是无所不在一点也不过分。然而,该电路却存在显著的输出级电流尖峰(spike)的先天设计缺陷。原设计师曾设法进行改进以期修复缺陷,但最终未能实现…

流行数十年的555定时器,业界不知晓的工程师应该寥寥无几!几乎所有的数字电路教材中都有该芯片的身影,要说是无所不在一点也不过分。然而,该电路却存在显著的输出级电流尖峰(spike)的先天设计缺陷。原设计师曾设法进行改进以期修复缺陷,但最终未能实现…29kednc

故事要从我的一台电源开始说起。这是Southwest Technology所生产型号为143D的2A桌上型电源供应器,多年前在我购买一款工具套件中附带提供的。尽管其外观不太好看,但多年来使用在各种项目中的表现一直很理想。29kednc

NE555定时器应用十分广泛,但我之前从未使用过。最近为了做一些实验,考虑到有时候可能会需要使用振荡器,于是便买了几块,因为对于设计振荡器而言,这似乎是一种最简单的方法。29kednc

然而,当我开始试用时,搭配的是较旧但完好无损的143D电源,但令我惊讶的是电源供电失控了,过电流甚至将仪表卡住了,等等。所幸这台电源看来很坚固,并没有被烧掉。我本想搞清楚是什么原因,但当时我正在做其他一些电路工作,所以就先搁置了这些器件。29kednc

发现555的设计缺陷

最近,我手边有了一台型号为Siglent SPD303X的新电源。我决定再次试用NE555,虽然这次没有让电源瘫痪,但却发现它的更多问题。29kednc

关于这个问题原本就有较完整的文献记录。一开始我不知道该怎么做,因为这似乎是555的一个严重设计缺陷:图腾柱输出分别直接连接到正电压轨和地,没有任何类型的限流或特殊的开关定时,就让两个晶体管简单地导通并吸收大电流。我曾经设计过许多项目,利用过的器件包括TTL、各种分立式晶体管、运算放大器、继电器等等甚至更复杂的芯片,即使是使用我的旧电源也从未遇到过如此严重的尖峰。29kednc

实际上,许多人对此进行过追踪,并清楚描述了这个问题。典型的报告是电流峰值持续100-200ns,可承受约300mA电流。这是芯片正常空载电流的10倍多。在没有去耦电容器的情况下,电源电压会下降一大半。我的情况也不例外;Siglent SPD3303X电源的功能非常好,可以看到这类压降。29kednc

如图1所示,我也进行了一些实验。紧凑的布局,产生的信号相当纯净。除了电源外,原理图中所示的所有器件都位于电路板上。峰值吸收相当大的电流,高达437mA,这与其他报告相符。29kednc

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图1:NE555测试设置:原理图、示波器迹线以及电路板布局。29kednc

我最近的其他一些实验也包括三个频率可能非常接近、独立可调的自由振荡器。为了避免电流尖峰在定时器之间传播寄生同步信号,我选用了合适的电阻和电解电容对每个芯片上的电源进行了严格的滤波。虽然这降低了可用电源电压,但也足以驱动下游元器件。不过,遗憾的是,为了弥补这个问题,需要添加的元器件比功能实际需要的要多。29kednc

NE555历史

更重要的是,随着深入地探索,我发现这款芯片有着迷人的历史。29kednc

NE555定时器于1972年由Signetics公司(后来被飞利浦并购)发表,瑞士电子工程师Hans Camenzind在之前两年左右的时间为其设计。当年Jack Ward在对Camenzind的采访中,他讲述了完成设计的尝试、与雇主的问题(他最终根据合同完成了设计,这在当时非常罕见),以及Signetics市场经理Art Fury成功推广该产品上市的勇气和信念。29kednc

Camenzind在采访中谈到该设计的内部评审。当然,输出级是一个重要之处。当时类似的IC,如TTL门电路,试图使用限流电阻器、二极管和定时来降低功率尖峰。但NE555的目标之一在于驱动相当大的负载。因此,让图腾柱输出分别直接连接到Vcc和地的决定可能是有意的。29kednc

虽然不清楚电源尖峰问题是什么时候被发现的,但Camenzind很早就意识到最初的设计存在缺陷。他在1997年发表于IEEE Spectrum的文章“Redesigning the old 555”(重新设计旧版555)以及随后在他的Designing Analog Chips, 2005(设计模拟芯片)一书中对第2版555的描述,都同时列举了缺陷以及改进方案,包括采用更好的偏置电路,以降低对电源变化的敏感性,并扩大电源电压范围;在比较器上添加平衡有源负载,以提高精度和速度;还有采用新型小电流的电流模式触发器,以减小开关时间。改进的主要总体目标是减小工作电流和降低所需的电源电压;这些对输出级也都有重大影响。29kednc

上述三个部分的原理图如下图2-4所示。请注意,后来的设计利用了当时可实现的更高设计密度。29kednc

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图2:原始版555定时器。(图片来源:Signetics Analog Applications Manual)29kednc

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图3:Hans Camenzind的第2版555。(图片来源:Designing Analog Chips)29kednc

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图4:Zetex ZSCT1555:555的低功率版本且其接脚兼容。(图片来源:Zetex)29kednc

输出级是上述文章和书中强调的主题之一。Camenzind甚至在书中说,“最重要的变化是输出级”。第一篇文章中还提到Zetex ZSCT1555作为555的重新设计,并参照了文章中描述的概念。然而,在后来的Designing Analog Chips, 2005一书中,并不清楚输出电流要求是否已经确定:Camenzind提到了原始555的电流源和大吸收电流问题,并展示了第2版555的图腾柱输出,但没有明确说明新款芯片的输出电流要求。他确实描述了控制电流和定时的各种改善,因此他声称电流尖峰问题已经解决。29kednc

另一方面,ZSCT1555的设计确实反映了第一篇文章中描述的大部分内容。文章和书中以及第2版的555都使用了“Widlar Latch”正反馈回路。在第2版的555中,该电路由Q40、Q41和Q42组成。ZSCT1555显然针对低功耗和低电压应用。请注意,最低电源电压是降低了,但输出电流指标不对称:其吸收电流是NE555的一半,达到100mA,但供应电流只能达到150µA,最高速度也低于NE555。在高压侧使用PNP集电极驱动输出晶体管适用于低电流高压,Camenzind在第一篇文章中明确提到所支持的大电流指的仅是吸收电流。然而,由于高压侧吸收电流不大,可见这将会消除电流尖峰。29kednc

尽管Camenzind写得很清楚,而且毫不掩饰地公开,但市场上供应的产品还是最初的原555设计。CMOS版本似乎填补了一些低功耗的市场缺口。但生产“更好”的双极型555的努力都一直屈服于原始版本的压倒性力量。29kednc

发明者意志vs.市场惯性

遗憾的是,直到如今,也就是说在原版555发布的50年后,也是原设计师Camenzind离开我们10年后,第2版555也尚未生产,ZSCT1555也已经停产了,而有设计缺陷的NE555却仍在广泛使用!据报导,它是历史上最受欢迎的芯片。29kednc

我可以想象到,工程师离开办公室后,对修复设计缺陷的那种强烈欲望,这既是工程师的典范,也是对他们的一种魔咒!Camenzind显然是一位优秀的设计师,不仅非常有创意,而且极有纪律,在设计中投入了大量的前端思想。但原版555的设计缺陷一定让他感到困扰;在采访中,他说对于555的改进没有流行起来感到“震惊”。看来,他的创造物已经不再服从他的意志了!29kednc

相信我们都能想到类似的例子,尽管程度可能不及Camenzind的案例那么重要。这足以说明:任何设计都必须“小心你想要的……”如果失败了,可能会沮丧一阵子,然后再试一次、两次、三次……如果最终成功了,欣喜之余也必须记住,“把放出去的马重新弄回马厩可能更困难”!29kednc

(原文发表于EDN美国版:The NE555 current spike ,由EDN台湾版编译)29kednc

责编:Franklin
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