《555时基集成电路的结构和工作原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《555时基集成电路的结构和工作原理（98页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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 6.2.2 CMOS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
2、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,脉冲幅值Vm 脉冲波形变化时电路幅值变化的最大值。 脉冲宽度tw 从脉冲波形的上升沿上升至0.5 Vm开始，到下降沿下降至0.5 Vm为止的时间间隔。 上升时间tr 在脉冲波形的上升沿，从0.1 Vm上升至0.9 Vm所需要的时间。 下降时间tf 在脉冲波形的下降沿，从0.9 Vm到0.l Vm所需的时间。,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。 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
3、，即 f=1/T。 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。,6.2.1 555时基电路的特点和封装,6.2 555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： 555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
4、和振荡。它拓宽了模拟集成的应用范围。 该电路采用单电源。双极型555的电压范围为4.5V15V；而CMOS型的电源适应范围更宽，为2V18V。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, 555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。 555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
5、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6.2.1 555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。,6.2.2 555时基电路的工作原理,图6.2.2 CA555时基电路的内部等效电路图,双稳态触发器,推挽式功率输出 IO=200mA,Imax50mA,2/3VCC,1/3VCC,555电路可简化为下图6.2.3所示的等效功能电路。显然
6、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6.2.3 CA555时基电路的等效功能电路图,2/3VCC,1/3VCC,置位复位触发器,表6.2.1 CA555引出端真值表,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。,（2）国产双极型定时器CB555时基电路,图6.2.4 CB555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6.2.2 CB555引出端真值表,二、CMOS型555时基电路的工作原理 CMOS型555时基电路在大多数
7、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。,200K,A1,A2,双稳态触发器,CMOS反相器输出,图6.2.6 CMOS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，V
8、0为“0”电平，处于复位状态；而当置位触发端 的电位，即Vs1/3Vcc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： 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。 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。 555的输出为全电源电平，可与TTL、 HTL、CMOS型等电路直接接口
9、。,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： CMOS型555的功耗仅为双极型的几十分 之一，静态电流仅为300A左右，为微功耗电路. CMOS型555的电源电压可低至23V； 各输入功能端电流均为pA(微微安)量级。 CMOS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。,CMOS型555在传输过渡时间里产生的尖 峰电流小，仅为23mA；而双极型555的尖峰电 流高达300400mA。 CMOS型555的输人阻抗比双极型的要高 出几个数量级，高达10
10、10。 CMOS型555的驱动能力差，输出电流仅 为13mA，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
11、 性，提高了干扰能力，可有效滤除噪声。,6.3 施密特触发器 Schmitt Trigger,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
12、.7 VT- 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，
13、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,6.3.4 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!=R3,1.9V,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=vBE107V时，VT1导通, 同时产生一个正反馈过程： vI ic1 vc1 ic2 vBE1 vE 从而使VT1迅速饱和导通，VT2
14、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 ic1 vc1 ic2 vBE1 vE 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+ 1.7V VT- 0.8V VT 0.9V,课后练习,6.3.2 用5
15、55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,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，VT=1/2VCO，通过改变VCO值可以调节回差电压的大小。,VT+ = 2/3VCC VT- = 1/3VCC,6.3.3 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
16、，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
