「三電阻」拓撲為雙極LM555實現50%工作週期

作者 : Stephen Woodward，EDN

經典的雙電阻拓撲並不是以555振盪器實現50:50方波的唯一方法。具體來說，如果將第三個電阻器(R3)與Discharge接腳串聯，配置為「三電阻」拓撲也可以為雙極LM555實現50:50的工作週期...

半個多世紀以來，無處不在而又極為有用的555類比計時器，長久以來一直是毁譽參。產品備受讚譽或批評加減都會有些道理，但即使是像555這種長期且廣泛使用的元件，有時一個假設的缺點也會發展成「常識」(common knowledge)狀態，其實它只是因為其中一項簡單的修復被忽略了。

典型例子之一是經常陳述(但錯誤)的概念——我們很難引導原始(雙極)版本555電路以50:50 (50%)工作週期產生對稱方波振盪。

這個迷思的起源似乎是早期的555資料手冊和應用筆記，其中闡述了圖1中所示的非穩態振盪拓撲。其輸出工作週期運算式=(R₁+R₂):R₂告訴我們，除非R₁=0，否則要實現50:50是不可能的。

由於從Discharge接腳到V_s的短路似乎比方波更可能使該元件輸出冒煙，因此結論是：50:50的方波確實不可能實現。

圖1：「傳統的雙電阻」555振盪器。

然而，如圖2所示，所幸經典的雙電阻拓撲並不是用555實現方波的唯一方法。具體來說，如果將第三個電阻器(R₃)與Discharge接腳串聯，則會導入新的訊號電平=V_d=V_s(R₃/(R₁+R₃))作為C₁指數放電的漸近極限，因此就會拉伸振盪週期的T₂階段。此外，T₂的RC時間常數將會從R₂C₁增加到(R₂+R₁R₃/(R₁+R₃))C₁。

圖2：新的「三電阻」拓撲。

實際結果是，如果R₂=R₁且R₃=0.225×R₁，則

T₁=Ln(2)×(2R₁)C₁
T₂=Ln((2/3V_s–V_d)/(V_s/3–V_d))×(R₁+R₁R₃/(R₁+R₃))C₁=Ln(2)×(2R₁)C₁
T₁=T₂
f_osc=0.36/(R₁C₁)
工作週期=50:50

該方法也適用於許多不同於1.0的R₂/R₁比率。表1中給出了一些示例。

表1：三電阻拓撲比率舉例。

在任何情況下，f_osc=0.72/((R₁+R₂)C₁)，工作週期=50:50。

如前所述，該方法一直到R₂=0 (即僅保留R₁和R₃，而將R₂用直接連接替換)都有效。然而，R₃=0.423×R₁將使V_d=0.297×V_s，這就會非常接近於555的標稱觸發電壓=0.333*V_s，而可能嚴重放大偏置電壓和晶片電阻容差對f_osc和工作週期的影響。

同時，我們的故事有什麼寓意呢？即使在50年後，仍舊有觀點會被打破！

附錄

上述的兩電阻配置顯示這個實例的一個有趣的變化(圖3a)。所示的電路支援使用單個微調器在0%到100%範圍內改變工作週期，同時保持恒定的正脈衝寬度(圖3b)：

圖3a：新電路。

圖3b：工作週期如何隨R₂設置而變化。

本文作者：Stephen Woodward，EDN專欄作者

編譯：Franklin Zhao

(參考原文：Add one resistor to give bipolar LM555 oscillator a 50:50 duty cycle，by Stephen Woodward)

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