Wnętrze układu, który zmienił świat

Każdy, kto zaczyna zabawę z elektroniką wcześniej czy później spotyka na swojej drodze układ oznaczony numerem 555. Według wielu timer ten jest jednym z chipów, który zmienił świat. Ciężko się z tym nie zgodzić zwłaszcza biorąc pod uwagę skalę produkcji i mnogość zastosowań, o których powstawały nawet osobne książki. W tym materiale opowiem wam co nieco o tym wyjątkowym chipie.

Skąd wziął się 555?

Hans Camenzind (https://www.chipsetc.com/interdesign.html)

Było lato 1970 roku, projektant układów scalonych Hans Camenzind pracował jako konsultant w firmie Signetics. W tamtym czasie sytuacja finansowa rodziny Camenzind nie była zbyt dobra, a do tego istniała szansa, że Hans zostanie zwolniony, aby zachować stanowisko musiał wymyślić coś naprawdę dobrego. I tak zrobił. Zaprojektował on jeden z najpopularniejszych chipów wszech czasów tzw. 555. Wciąż popularny dzisiaj układ był hitem, znalazł on swoje zastosowanie w urządzeniach kuchennych, zabawkach, statkach kosmicznych i masie innych rzeczy.

Pomysł na 555 pojawił się w momencie pracy nad obwodem zwanym pętlą fazową. Z pewnymi modyfikacjami obwód taki mógł działać jako prosty zegar. Choć koncepcja elektronicznego zegara brzmi prosto, to wówczas na rynku nie był dostępny żaden tego typu układ. Początkowo dział inżynierii Signetics odrzucił pomysł Hansa. Firma sprzedawała już osobne komponenty, które klienci mogli łączyć w celu stworzenia timerów. To mógł być koniec, ale Camenzind nalegał. Poszedł do Art Fury, menedżera marketingu Signetics, któremu pomysł na pojedynczy układ się spodobał.

Rdzeń układu 555 (https://spectrum.ieee.org/chip-hall-of-fame-signetics-ne555)

Camenzind spędził prawie rok na testowaniu prototypów. Wszystkie elementy obwodu powstawały na papierze, dopiero później przenoszono je na odpowiednie folie maskujące. „Wszystko odbywało się ręcznie, bez komputera” wspomina Hans. Jego ostateczny projekt składał się z 23 tranzystory, 16 rezystorów i 2 diod.

Układ 555 trafił na rynek w 1971 roku i od razu wywołał dość sporą sensację. Niedługo później, bo w 1975 r. Firma Signetics została wchłonięta przez Philips Semiconductors, obecnie NXP.

Jak działa 555?

Wewnętrzny schemat układu 555 (https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ne555.pdf)

555 bez wątpienia możemy opisać jako coś genialnego w swej prostocie. Wewnątrz znajdziemy trzy oporniki, których zadaniem jest wytworzenie napięcia odniesienia o kolejno 1/3 i 2/3 wartości napięcia zasilania. Dalej znajdziemy dwa wzmacniacze operacyjne, do których podłączono właśnie napięcie odniesienia, a pozostałe wejścia wyprowadzono na zewnątrz układu. Głównym elementem 555 jest pojedynczy, nieco zmodyfikowany przerzutnik RS. Jego wejścia połączone są z wyjściami wzmacniaczy operacyjnych, dodatkowo element wyposażony został w nadrzędny pin zerujący. Wyjście przerzutnika poprzez bufor wyprowadzone zostało na zewnątrz układu, ale poza tym połączone ono jest z pojedynczym tranzystorem bipolarnym.

Jednym z najpopularniejszych zastosowań 555 jest użycie go jako timera, wystarczy do układu podłączyć dwa rezystory i kondensator. Działanie takiej konstrukcji jest dość proste. Kondensator będzie się naprzemiennie ładować i rozładowywać. Gdy napięcie na nim osiągać będzie 1/3 lub 2/3 napięcia zasilania aktywowane będzie odpowiednie wejście przerzutnika, tym samym zmieniając stan wyjścia. Po ustawieniu na wyjściu stanu wysokiego kondensator rozładowywany będzie poprzez wewnętrzny tranzystor.  

Warto też wspomnieć, że istnieje coś takiego jak „podwójny” 555. Jest to układ oznaczony numerem 556, w którego wnętrzu konstruktorzy umieścili dwa timery. Konstrukcja ta jednak nigdy nie stała się, aż tak popularna jak jej prostsza wersja.

Najprostszy generator impulsów

Schemat prostego generatora astabilnego

Jedną z najczęściej budowanych konstrukcji opartych na układzie 555 jest astabilny generator impulsów. Będzie on wytwarzać sygnał prostokątny, od razu po włączeniu zasilania, a jego parametry zależne będą od wartości rezystorów R1, R2 i kondensatora C2. Poza generatorem astabilnym spotkać możemy się z konstrukcją monostabilną. W tym wariancie chip wygeneruje pojedynczy impuls w momencie doprowadzenie do niego zewnętrznego sygnału wyzwalającego.

Przyjrzyjmy się jednak bliżej układowi generatora astabilnego, którego schemat możecie zobaczyć powyżej. Jest to prosta konstrukcja, złożona z pięciu elementów – samego układu i pary rezystorów i kondensatorów. Jednak, aby w pełni zrozumieć działanie takiego układu potrzebny będzie nam drugi schemat, uwzględniający wewnętrzną budowę chipa 555.

Schemat generatora astabilnego z uwzględnieniem wewnętrznej budowy chipa 555 (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:NE555_astable.png) 

Po złożeniu układu i uruchomieniu zasilania kondensator będzie rozładowany. Efektem tego będzie pojawienie się na wyjściu drugiego komparatora stanu wysokiego i tym samym ustawienie na wyjściu przerzutnika stanu wysokiego, który pojawi się też na wyjściu układu. Komparator zareaguje w ten sposób, ponieważ napięcie na jego wejściu nieodwracającym, jest znacznie większe niż to na wejściu odwracającym, podłączonym do kondensatora.

W tym samym czasie tranzystor rozładowujący umieszczony wewnątrz układu jest zatkany, czyli nie przewodzi prądu. Natomiast wejście zerujące przerzutnik (R) ma stan niski, ponieważ wejście odwracające górnego komparatora ma potencjał 2/3 napięcia zasilania.

Z czasem jednak kondensator, powoli ładowany, przez prąd płynący przez rezystory R1 i R2 osiągnie próg napięcia, przy którym zareaguje dolny komparator. Wówczas na jego wyjściu pojawi się stan niski, ale nie zmieni to sygnału zapamiętanego przez przerzutnik.

Dopiero po dłuższym czasie, gdy kondensator zgromadzi jeszcze większą ilość ładunku, zareaguje pierwszy komparator. Zmieniając stan na swoim wyjściu, zresetuje on przerzutnik, tym samym ustawiając na wyjściu układu stan niski. W tym samym momencie do gry wkracza wspomniany już wcześniej tranzystor rozładowujący. Zostaje on wprowadzony w stan nasycenia, a płynący przez niego prąd powoli rozładowuje kondensator. Będzie to trwało tak długa, aż napięcie na nim nie przekroczy dolnej granicy, uruchamiającej drugi komparator ustawiający przerzutnik. Wówczas cały cykl wykona się ponownie.

Co natomiast z kondensatorem C1 widocznym na pierwszym schemacie, ale na drugim już nie? Jego zadaniem jest filtracja napięcia na wejściu odwracającym pierwszego komparatora i kwestią sporną jest jego stosowania. Niektórzy twierdzą, że skoro układ zasilany jest napięciem stałym, to potencjał na tym wejściu i tak nigdy nie ulegnie zmianie. Cóż jest to prawda, ale trzeba pamiętać, że najwięcej w układzie dzieje się w momencie przełączania przerzutnika. Cały proces opiera się na komparatorach, które swoje wyjścia uzależniają też od napięć odniesienia, które nigdy nie powinno ulegać zmianą. Dlatego mimo wszystko stoję po stronie osób twierdzących, że mimo wszystko dodatkowy kondensator niewielkiej pojemności (10nF – 100nF) powinno się w obwodzie umieszczać.

Testy układów 555

Testując kilka wariantów astabilnego generatora impulsów, korzystałem z różnych układów 555, w teorii działających identycznie, ale jak pokazał pewien test, tak do końca nie było. W układzie przygotowanym do generowania sygnału o częstotliwości 1Hz i wypełnieniu 66,6% umieściłem na początku współczesny chip produkcji Texas Instruments. Wytworzony przez niego sygnał był stabilny i niewiele różnił się od założeń – częstotliwość 0,97Hz i wypełnienie 66,9%.

Ciekawiej było po umieszczeniu na płytce układu 555 z lat 70. wyprodukowanego w Warszawskich zakładach CEMI. Chip miał problemy z wygenerowaniem stabilnego sygnału prostokątnego. Częstotliwość wahała się w granicach 0,92Hz – 1,24Hz, natomiast wypełnienie oscylowało w zakresie 64% – 72%. Jest to pewnego rodzaju ciekawostka, ale z drugiej strony układ CEMI ma już swoje lata więc nic dziwnego, że jego parametry uległy zmianie.   

Zajrzyjmy do wnętrza 555

Struktura 555 pod mikroskopem (http://www.righto.com/2016/02/555-timer-teardown-inside-worlds-most.html)

Jak układ 555 wygląda z bliska, możecie zobaczyć na zdjęciu powyżej. Mamy tutaj krzemowy rdzeń, na którym umieszczono wszelkie potrzebne elementy takie jak tranzystory i rezystory. Połączenia między nimi wykonano z metalu, to te biało-złote obszary. Jednak warstwa przewodząca nie została umieszczona na krzemie bezpośrednio, oddzielone są one warstwą izolatora – dwutlenku-krzemu. Oczywiście w odpowiednich miejscach, w izolatorze wykonano odpowiednie otwory, tak aby warstwa metalu łączyła się z krzemem. Na krawędziach struktury zobaczyć możemy również elektrody łączące rdzeń z wyprowadzeniami zewnętrznymi.

Schemat wewnętrzny 555 (https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ne555.pdf)

W takim razie układ scalony to krzemowa płytka z naniesionymi, metalowymi połączeniami, ale gdzie są wspomniane tranzystory i rezystory? Umieszczono je w krzemie. Dzięki procesowi domieszkowania pewnych obszarów można uzyskać półprzewodnik typu P lub N, a stąd już niedaleko do tranzystora.

Jak zbudowany jest tranzystor bipolarny, raczej nikomu nie trzeba przedstawiać. W teorii mamy strukturę zbudowaną z odpowiednio domieszkowanego półprzewodnika, ułożoną w kanapkę typu NPN lub PNP. Jednak w rzeczywistości tranzystory budowane są nieco inaczej.

Struktura tranzystora NPN

W praktyce tranzystory bipolarne NPN tworzone są z kilku warstw półprzewodnika typu P, N oraz N+. Główną różnicą między obszarami N i N+ jest ilość domieszki, N+ jest bogatszym, bardziej domieszkowanym półprzewodnikiem. Cała struktura umieszczana jest na podłożu typu P i ma niewiele wspólnego z książkowym NPN, choć patrząc na pionowy wycinek pod emiterem, możemy się takiej budowy dopatrzeć. Pod emiterem umieszczony został półprzewodnik typu N+, łączy się on bezpośrednio z obszarem P, czyli obszarem połączonym z bazą. Ostatnim elementem jest kolektor, łączy się on z pozostałą strukturą pośrednio, czyli dwa obszary N+ rozdzielone są półprzewodnikiem typu N.

Struktura tranzystora PNP

Można by oczekiwać, że tranzystor PNP będzie zbudowany identycznie jak NPN, a różnicą będzie tylko odwrotne oznaczenie typu półprzewodnika. Rzeczywistość jest jednak inna. Tranzystory PNP posiadają niewielki, okrągły obszar emitera typu P otoczony przez pierścień kolektora, również typu P. Oba obszary oddzielone są półprzewodnikiem typu N, połączonym pośrednio z nieco bardziej domieszkowaną bazą, N+. Na zdjęciu możecie zobaczyć dość ciekawy tranzystor, w którym między bazą, a kolektorem przechodzi ścieżka umieszczona ponad całą strukturą, na warstwie tlenku-krzemu.

Wyjściowy tranzystor NPN

Tranzystor niekoniecznie musi być mały. Trzy największe, pod względem obszaru elementy w strukturze układu 555 to również tranzystory. Są to tzw. tranzystory wyjściowe, których moc jest znacznie większa niż wcześniej opisanych konstrukcji. Zbudowane zostały one z zazębiających się obszarów bazy i emitera otoczonych przez kolektor.

Krzemowy rezystor

Jak już wspomniałem, w krzemowej strukturze znaleźć można także rezystory. Te jednak są dość problematyczne, zwłaszcza przez niedokładność, która może osiągnąć nawet 50%, w zależności od chipa. Dlatego projektanci zazwyczaj nie biorą pod uwagę ich wartości bezwzględnej, a stosunek między, na przykład dwoma rezystorami, który z zasady będzie taki sam. Na zdjęciu możecie zobaczyć niewielki rezystor zbudowany z półprzewodnika typu P, nad którym umieszczono pojedynczą ścieżkę.

Rezystory również mogą być wykonane w nieregularnych kształtach. Na zdjęciu możecie zobaczyć zarys takiej konstrukcji w kształcie odwróconej litery 'L’.

Rezystor w kształcie litery 'L'

W ostatnich latach żarówki LED na dobre zagościły w naszych domach, zastępując wysłużone już konstrukcje z wolframowym żarnikiem. Nic w tym dziwnego, LEDy w porównaniu do innych źródeł światła wypadają zaskakująco dobrze – zużywają niewiele energii, mogą świecić w różnych kolorach, włączają się natychmiast i nie nagrzewają się aż tak bardzo.

Układy ALU, czyli jednostki arytmetyczno-logiczne są dzisiaj częścią każdego procesora. Dawniej były one produkowane jako pojedyncze, fizyczne układy scalone lub zbiór wielu chipów logicznych. W dzisiejszym materiale opowiem wam o budowie, historii i działaniu jednego z pierwszych układów ALU.

Źródła:

  • https://www.chipsetc.com/interdesign.html
  • https://spectrum.ieee.org/chip-hall-of-fame-signetics-ne555
  • https://www.ti.com/lit/ds/symlink/ne555.pdf
  • http://www.righto.com/2016/02/555-timer-teardown-inside-worlds-most.html
  • https://hackaday.com/2018/10/10/the-555-and-how-it-got-that-way/
  • https://www.circuitbasics.com/wp-content/uploads/2015/01/555-Timer-Datasheet.pdf
  • https://0creativeengineering0.blogspot.com/2018/12/discrete-555.html
  • https://forbot.pl/blog/kurs-elektroniki-ii-wstep-do-ukladu-ne555-id8202

Chcesz być na bieżąco?
Dołącz do newslettera

Otrzymywać będziesz powiadomienia o nowych artykułach oraz informacje o projektach, nad którymi pracuję.

Leave a Comment

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

Przewiń do góry