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。

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(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。

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(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)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年7月號雜誌

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發表評論

  1. 噗嚕^ↀᴥↀ^表示:

    圖2的等式T-=R1C1…可能是誤植。
    應該是R2C1…

    1. Susan Hong表示:

      已更正,謝謝指正。

  2. 噗嚕^ↀᴥↀ^表示:

    上則評論中「T-」更正為「T+」