反極性MOSFET確保555振盪器精度
作者 : Stephen Woodward，EDN特約作者
555計時器IC自面世以來，已成為一種指標性的設計元素，被整合至各種有用的標準化功能模組中…
自從美國半導體公司Signetics的電子工程師Hanz Camenzind在1971年設計了555計時器IC以來，眾所熟知的555類比計時器(以及與其接腳相容的CMOS後續更新產品)已經成為一種指標性的設計元素，被整合至各種有用的標準化功能模組中。這些不計其數的功能模組包括非穩態、雙穩態、單穩態、電壓轉換器、方波、三角波、鋸齒波、電壓頻率(V-to-F)轉換器，甚至脈衝寬度調變(PWM)放大器。
圖1介紹這些經典用例之一：恒定頻率振盪器，其工作週期以單個電位器P1從0%到100%的連續變化。
圖1：在此555計時器電路中，二極體D1引發溫度依賴性。
它之所以能起作用，是因為555計時器的漏極開路DISCHARGE接腳在輸出週期的T–半週期內通過R1 (電位器P1的上半部份)而使C1放電，而二極體D1則會在T+正輸出半週期內通過R2 (電位器P1的下半部份)，從555計時器OUTPUT接腳引導電流而為C1充電，因此：
T-=R1C1ln((2/3V+)/(1/3V+))=R1C1ln(2) T+=R2C1ln((2/3V+-Vd)/(1/3V+)) Fosc=1/(R1C1ln(2)+R2C1ln((2/3V+-Vd)/(1/3V+)))
遺憾的是，針對1N4148等典型的矽平面型接面二極體，由於二極體正向電壓降Vd=~700mV-2mV/℃的影響，後兩個方程式的時序計算結果不同於555電路不受V+與溫度變化的影響。因此，時間間隔會隨著溫度和V+電源的變化而改變。其變化的幅度與標稱V+成反比(表1)。
表1：典型接面二極體的誤差係數。
對於一些非關鍵性應用來說，這通常是可以接受的，但是在精度至關重要時可能就無法被接受。
圖2提出一種解決方法：利用反極性P通道MOSFET Q1引導C1的充電電流，而不產生任何明顯壓降，因而能夠得到不受溫度和V+影響的時序設計方程式：
T+ = R2C1 ln((2/3V+)/(1/3V+)) = R2C1 ln(2) T– = R1C1 ln((2/3V+)/(1/3V+)) = R1C1 ln(2) Fosc = 1/(ln(2)/((R1 + R2)C1)) = 1.44 / (P1C1)
圖2：利用反極性MOSFET Q1恢復計時器精度。
現在，在不影響555電路固有精度的情況下，實現了可變工作週期/恒定頻率功能。
在此以「反相」連接Q1，也就是將其汲極接腳(而不是源極接腳)連接到正電壓源(與P通道FET的一般做法相反)，以避免在555電路輸出接腳驅動汲極接腳至低電平，而C1將R2連接的接腳保持為高電平時，對FET體二極體形成正向偏置。另一個好處是，由於體二極體在輸出升高時被正向偏置，因而能確保驅動FET源極接腳為正(相對於閘極接腳)，進而使FET在T+間隔期間進入充份飽和狀態。
有趣的是，在Paul Horowitz和Winfield Hill合著的第三版《電子學》(The Art of Electronics)第429頁中描述了圖1電路的一個版本。其中所示的D1是蕭特基二極體，而不是接面二極體，因為前者的Vd較低。這確實是個好主意，因為V+誤差項得到了顯著改善，但由於蕭特基二極體的溫度係數(-2mV/℃)與接面二極體相似，因此與溫度相關的誤差基本上維持不變(表2)。
表2：蕭特基二極體的誤差係數。
(參考原文：Inverted MOSFET helps 555 oscillator ignore power supply and temp variations，by Stephen Woodward)
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圖2的等式T-=R1C1…可能是誤植。
應該是R2C1…
已更正，謝謝指正。
上則評論中「T-」更正為「T+」