Perché il timer 555 ha tre resistenze da 5k e nessun altro valore?

Perché l'IC timer 555 ha tre resistori da 5k e non altri valori, come 10k-10k-10k o qualcos'altro?

L'originale 555 con resistori 5K:

Ed ecco una versione CMOS con resistori 40K:

La scelta dei resistori per R7, R8, R9 (versione bipolare) sarebbe influenzata da due cose:

1) Il desiderio di ridurre al minimo il consumo energetico (il più alto valore possibile senza utilizzare troppa area del chip)

2) Il desiderio di minimizzare le variazioni di temperatura dovute ai cambiamenti beta delle coppie Darlington Q3 / Q4 e Q12 / Q13.

Il secondo punto non si applica alla versione CMOS.

È facile vedere che la resistenza sorgente equivalente di Thevenin per entrambi i nodi è 2/3 del valore del resistore.

Possiamo facilmente capire quali sono i limiti di produzione sulle correnti disegnate su quei nodi da un foglio dati 555: il circuito è simmetrico (in orizzontale) e le correnti saranno le stesse delle correnti di trigger e di soglia. Le correnti sono abbastanza diverse, probabilmente a causa della bassa beta dei PNP laterali.

Hans Camenzind afferma che l'offset del comparatore può essere grande quanto 30mV, il che implica una grande tensione di offset oltre il massimo di 7mV a causa della corrente di polarizzazione dell'ingresso, ma la corrente di polarizzazione dell'ingresso è abbastanza variabile con la temperatura (forse 3: 1 nell'intervallo operativo ). Se assumiamo che cambi da 0,7uA a 2uA, a 5V sarebbe una variazione della soglia dello 0,25% o circa 15 ppm / K. La precisione effettiva complessiva è di circa 24 ppm / K, quindi i resistori non sono eccessivamente dominanti (l'offset cambierà a qualcosa di simile alla temperatura assoluta).

Negli anni '70, 10 mA a 15 V o 3 mA a 5 V erano considerati a potenza ragionevolmente bassa, quindi HC probabilmente ha scelto i resistori come "ragionevoli" - non troppo grandi e non troppo piccoli, e questo era tutto pre-computer, quindi non avrebbe hanno avuto la possibilità di eseguire una routine di ottimizzazione per ottenere un valore dispari che ha ridotto al minimo alcune funzioni di costo arbitrarie.

Ecco la foto reale del die ( presa da HC e pubblicata su IEEE Spectrum ), con i resistori evidenziati.

Non importa quale sia il valore esatto, purché tutte e tre le resistenze abbiano lo stesso valore.

Il valore è un compromesso tra vari vincoli di progettazione. Da un lato, si desidera che il valore sia elevato, per ridurre al minimo i requisiti di corrente di riposo del chip. D'altra parte, i resistori di grande valore occupano molto spazio fisico sul chip. C'è anche la considerazione che si desidera che le correnti di polarizzazione in ingresso dei comparatori siano una piccola frazione della corrente nei resistori.

Tenendo conto di tutto ciò, il progettista ha optato per un valore di circa 5K.

Diamo un'occhiata al silicio!

I tre resistori da 5k sono le barre orizzontali nella parte superiore del chip. Realizzare resistori in silicio è un dolore; i materiali disponibili sono tutti abbastanza conduttivi, quindi è difficile realizzare resistori precisi di grande valore. Al momento della progettazione della 555 la dimensione minima della caratteristica era piuttosto grande, abbastanza grande da essere vista con un microscopio ottico come in quella foto. C'è il vincolo di progettazione aggiuntivo che tali resistori influenzano la precisione del timer. Ciò probabilmente determina la scelta del materiale, che avrà una certa resistenza in ohm per micrometro.

Da lì, possiamo vedere che i resistori 5k non possono essere ingranditi molto di più nello spazio disponibile. Forse avrebbero potuto essere fatti 6k, ma scegliere 5k rende più semplice per gli utenti del chip calcolare i valori del timer a mano.

(Penso che "5.0E" sul chip ci sia in realtà un segno di registrazione che indica che questo è il livello 5, come quelli più piccoli nella parte superiore del chip. Non un valore componente.)