原标题：NE555电流尖峰

　　我们将从我的电源开始。这是 Southwest Technical Products Corporation [8] 提供的 143D 两安培台式电源。它是作为一个工具包出现的，我在 1968 年左右制造了它。尽管不可否认，帽子的形状可能很差，但多年来它在各种项目中都运作良好。

　　尽管它很受欢迎，但我从未使用过 NE555。为了做一些最近的实验，我买了几个。我主要预见到这里和那里需要一个振荡器，这看起来是在需要时获得一个简单的方法。

　　然而，当我尝试使用我的旧 143D 电源时，我大吃一惊。电源发疯了，过电流钉住了仪表，等等。这很艰难，但这并没有杀死它(但是也没有使它变得更强大)。我想知道发生了什么事，但那时我正处于其他一些电路工作中，所以我把零件放在一边。

　　最近，我得到了一个新的电源，一个 Silent SPD3303X。差不多是时候!我决定再次尝试 NE555，虽然这一次它并没有让电源陷入瘫痪，但我发现了更多关于原来是一个臭名昭著的问题。

　　这个问题有据可查。起初我不知道该怎么做，因为它似乎是一个严重的设计缺陷：图腾柱输出，直接连接到正轨和地，没有任何类型的电流限制或特殊的开关时序，这允许两个晶体管都非常短暂地导通，消耗大电流。我在 TTL、各种类型的分立晶体管、运算放大器、各种更复杂的芯片，甚至继电器方面进行了很多工作，即使使用我的旧电源，也从未遇到过如此严重的尖峰。

　　许多人发布了范围跟踪并描述了该问题 [3,4,5,6,11,14,15]。典型的报告是持续 100-200 纳秒并拉动约 300 毫安的电流尖峰。这是芯片汲取的正常空载电流的 10 倍以上。在没有去耦电容器的情况下，可以看到电源电压下降一半以上。我的情况也不例外。Siglent SPD3303X 具有出色的规格，我可以看到这些电压降。

　　我也做了一些实验，结果如下。但更重要的是，随着我深入研究，我发现这款芯片有着一段迷人的历史。

　　Hans Camenzind 在 1972 年 Signetics 发布之前的两年左右设计了 NE555。在 Jack Ward对 Hans Camenzind 的采访[10] 中，他讲述了建立设计的试验，与他的雇主的问题(他最终是根据合同进行的，在当时非常不寻常)，以及勇气和信念Signetics 的营销经理 Art Fury 推动产品通过。

　　Camenzind 在采访中指出，他的设计接受了内部审查。当然，输出阶段是一个重要的话题。当时类似的 IC(例如 TTL 门)试图使用限流电阻、二极管和定时来降低功率尖峰。但 NE555 的目标之一是它应该能够驱动相当大的负载。因此，将图腾柱输出直接连接到 Vcc 和接地的决定可能是经过深思熟虑的。

　　虽然尚不清楚何时认识到电源尖峰问题，但 Camenzind 很早就意识到原始设计存在缺陷。他的文章Redesigning the old 555来自 IEEE Spectrum 于 1997 [1]，以及随后在他的Designing Analog Chips (2005) [2]中对 555 第二版本的描述，一起列举了缺陷并描述了改进：更好的偏置电路降低对电源变化的敏感性并扩大电源电压范围;添加到比较器的平衡有源负载以提高精度和速度;一种新的低电流、电流模式触发器，以减少开关时间。主要的总体目标是降低工作电流并降低所需的电源电压;这些也对输出阶段产生了重大影响。

　　所有三种器件的原理图如下图 1-3所示。请注意，后来的设计利用了当时可用的更大密度。

　　输出级是 Spectrum 文章和设计模拟芯片中的一个突出主题。Camenzind 甚至在后者中说“最显着的变化是在输出阶段”。Spectrum 文章还提到 Zetex ZSCT1555 可作为重新设计的 555 提供，大概遵循文章中描述的概念。然而在后来的设计模拟芯片不清楚输出电流要求其实已经确立：Camenzind提到了原555的大电流源和汇，在555第二版中显示了图腾柱输出，但没有明确说明输出目前对新芯片的要求。他确实描述了控制电流和时序的各种增强功能，因此他声称消除了电流尖峰。

　　另一方面，ZSCT1555 设计反映了 Spectrum 中描述的大部分内容。那个版本和 555 秒版本都使用“Widlar Latch”正反馈回路。在 555 第二版中，这包括 Q40、Q41 和 Q42。ZSCT1555 明显面向低功耗和低电压使用。请注意，例如，最小电源电压较低，输出电流规格不对称：它可以吸收 100 mA，是 NE555 的一半，但只能提供 150 µA。但是最高速度也低于NE555。对高端使用 PNP 集电极驱动输出晶体管适用于低电流高，并且 Camenzind 在 Spectrum 文章中明确提到仅支持大电流作为接收器。而且由于高端不会吸引太多，我们可以看到这将消除电流尖峰。

　　尽管 Camenzind 清晰的文字和毫不掩饰的开放性，最初的 555 设计仍然是市场上的那个。CMOS 版本似乎填补了一些低功耗市场空白。但生产“更好”的双极 555 的努力都屈服于原版的压倒性力量。

　　图 1原始 555定时器，来自Signetics 模拟应用手册[7]。

　　图  Zetex ZSCT1555，555 的引脚兼容、低功耗版本，来自规格表 [13]。

　　我自己对 NE555 的实验如下图 4所示。紧凑的布局产生相当干净的信号。除电源外，原理图中显示的所有组件都在电路板上。437 mA 峰值消耗相当大，这与其他报告相符。

　　我最近的一些其他实验涉及三个可单独调节、自由运行的振荡器，它们的频率可能彼此相当接近。为了避免电流尖峰在定时器之间传播虚假的同步信号，我最终使用合适的电阻器和电解电容器对每个芯片上的电源进行了严重过滤。尽管这降低了可用电源电压，但足以驱动下游组件。但不幸的是，需要添加比功能上更多的组件来弥补这个问题。

　　图  NE555 测试设置：原理图、示波器走线和布局。

　　555 第二版从未建成。ZSCT1555 已停产。但是 NE555，在 50 年后——以及 Hans Camenzind 离开我们 10 年后——仍然活得很好，据一些人报道，它是历史上最受欢迎的芯片。

　　我想，工程师的美德和工程师的诅咒是在设计离开建筑物后强烈地感受到修复设计的某些方面的吸引力。汉斯显然是一位设计师，他不仅非常有创意，而且纪律严明，并且在他的设计中投入了大量的前期思想。围绕原始 555 的问题一定困扰了他。在采访中，他说他对 555 的改进没有流行起来感到“震惊”。最后，他的创作有它自己的意志。

　　我相信我们都可以想到类似的案例——尽管可能没有汉斯·卡门津德的规模。任何设计都受制于“小心你想要的……”如果失败，你会感叹片刻，然后再试一次。如果成功，您需要记住，将这些马带回谷仓可能非常困难。

　　参考

　　Hans Camenzind，重新设计旧的 555， IEEE Spectrum，1997 年 9 月。

　　Hans Camenzind，设计模拟芯片，2005，http://www.designinganalogchips.com/_count/designinganalogchips.pdf

　　Rod Elliot，555 计时器，2015，https://sound-au.com/articles/555-timer.htm

　　Philip Kane，555 定时器教程，Jameco Electronics，https: //www.jameco.com/Jameco/workshop/TechTip/555-timer-tutorial.html 。提到电流峰值高达 100mA。

　　Ray Marston，“555”单稳态电路，https: //www.nutsvolts.com/magazine/article/555-monostable-circuits 。提到 400mA 尖峰和 RF 的“破坏”。

　　Philips，AN170：NE555 和 NE556 应用，1988 年，http://www.sophphx.caltech.edu/Physics_5/Data_sheets/555appnote.pdf。确认尖峰并建议使用紧密连接的去耦电容器。

　　Signetics 公司，Signetics 模拟应用手册，1979 年。

　　西南技术产品公司，143D 稳压电源，约。1968. 组装说明和示意图：https ://www.steampoweredradio.com/pdf/south%20west%20technical/Southwest%20Technical%20Products%20143D%20Regulated%20Bench%20Power%20Supply%20Manual.pdf

　　Steve Taranovich，555 计时器发明者 Hans Camenzind 记得，EDN，2012，https: //www.edn.com/555-timer-inventor-hans-camenzind-remembered

　　Jack Ward，采访 Hans Camenzind，2004，http://www.semiconductormuseum.com/Transistors/LectureHall/Camenzind/Camenzind_Index.htm

　　Neil Webber，555 定时器芯片和旁路电容器的重要性，2017，http://neilwebber.com/notes/2017/03/18/555-timer-chip-and-the-importance-of-bypass-capacitors/

　　维基百科，555 定时器 IC，https://en.wikipedia.org/wiki/555_timer_IC

　　Zetex，ZSCT1555 数据表，https: //www.diodes.com/assets/Datasheets/ZSCT1555.pdf

　　博客参考

　　将输出晶体管存储时间视为罪魁祸首。https://www.electronicspoint.com/forums/threads/clean-square-waves-using-a-555-timer.277981/page-6 _

　　提到 400mA “直通”。https://www.eevblog.com/forum/projects/555-timer-overshoot-problem-(astable-mode)-(rising-edge)/