一款传奇芯片的诞生：NE555定时器研发往事

本文是一款爆款芯片的设计师

汉斯・卡门津德（Hans Camenzind）的

回忆录，第一手叙述了这款经久不衰的集成电路背后的研发故事。

那是1970年的夏天，经济正处于周期谷底。两年前我刚加入的新星企业西格尼蒂克（Signetics），一下子裁掉了半数员工。

目睹这般变故，我心灰意冷，决心自立门户。我在加州桑尼维尔市中心的两家中餐馆之间，租下了一小块办公场地。西格尼蒂克（后来被飞利浦收购）不仅借给我研发所需的设备，还与我签下了一份为期一年的合同，委托我开发一款新型集成电路。

NE566压控振荡器：灵感的起点

这款新芯片的研发灵感，源于我在西格尼蒂克从事锁相环研究时的工作。当时，我需要一款振荡频率可通过外接电阻和电容调节的振荡器，同时它的性能还不能受电源电压波动和温度变化的影响。基于这一核心设计思路，我们陆续推出了多款产品，NE566压控振荡器便是其中之一（见图1）。

图1 NE566振荡器基本结构

注：在实际电路中，比较器与触发器被整合为一个施密特触发器。

这款振荡器的核心模块是一个电压-电流转换器。运算放大器正输入端的参考电压并未经过稳压处理，仅为电源电压的一部分。通过负反馈机制，运算放大器能够维持外接电阻两端的电压稳定，因此流经该电阻的电流可表示为：

由触发器控制的开关，会决定外接电容的充放电状态：电容要么通过上述电流充电，要么通过1:1电流镜，由等量电流完成放电。

电路中设有一个由三个等值电阻构成的分压网络，两个分压点的电压分别为 和 。两个比较器以此为参考电压，实时监测外接电容两端的电压。当电容电压升至 时，电路会触发一系列连锁反应：

• 1比较器1输出高电平，置位触发器；

• 1开关切换通路，将电流导向电流镜；

• 1外接电容开始放电。

当电容电压降至 时，比较器2会复位触发器，电容随即再次进入充电状态。如此周而复始的循环，便生成了图2所示的三角波。

图2 NE566振荡器输出的三角波

尽管三角波的幅值受电源电压影响，但充放电电流同样与电源电压相关，这两种效应相互抵消。排除芯片内部的微小误差（如运算放大器和比较器的失调电压、电流镜的匹配精度等），振荡频率可精确表示为：

初代设计的遗憾：我本可以做得更好

我向西格尼蒂克提出了一个改进方案：对NE566电路进行优化，使其具备触发功能，能够输出单周期信号。换句话说，这款芯片既能充当振荡器，又能作为定时器使用。

这个项目险些胎死腹中。公司的工程师团队并不看好这个想法——在当时，定时器通常由运算放大器或比较器，外加一两个齐纳二极管等分立元件搭建而成。他们认为，这款新型集成定时器会冲击公司现有集成电路产品的销量。

关键时刻，市场部经理阿特·富里力排众议。凭借丰富的行业实战经验，他直觉笃定这款定时器必将大获成功。

这份合同的期限为一年，而电路设计就耗费了半年时间。当时没有任何计算机辅助分析工具，所有电路都得靠手工搭建实验板，反复调试验证。当原型电路完全达到设计指标后，我撰写了一份研发报告，并在西格尼蒂克组织了一场设计评审会。令人意外的是，这份设计方案毫无异议地顺利通过。

但我总觉得哪里不对劲。我隐约察觉到，自己似乎遗漏了什么关键细节，这款电路本该有更优的设计。最让我耿耿于怀的是，它需要9个引脚——这个引脚数堪称“最尴尬的选择”：当时市面上既有8引脚封装，下一档就是14引脚封装，9引脚的设计完全找不到适配的标准封装。

灵光一闪：改写芯片命运的突破

接下来我开始着手电路版图的绘制。1971年的版图设计，意味着要在绘图板前耗费数周时间，将一个个元器件排布成最小的矩形结构，每一个尺寸参数都得靠手工核对。

就在设计评审结束两周后的一个下班路上，我突然灵光一闪：如果去掉电压-电流转换器，直接用电阻对电容进行充放电，会发生什么？这一改动，恰好能将引脚数降至8个！

我当即掉转车头，赶回工作室验证这个想法。果然，调整电源电压后，电路的定时精度丝毫未受影响。此前我一直陷入思维定式，误以为只有让充电电流与电容电压呈线性关系，才能实现误差抵消的效果。

而实际情况是，即便电容通过电阻充电时，电压呈指数规律上升，误差抵消的效果依然显著。更重要的是，去掉电压-电流转换器后，新电路不仅体积更小，定时精度也大幅提升。

引爆市场：一款传奇芯片的诞生

我立刻修改了电路设计，却没有再申请组织第二次设计评审会，只是把这个改动告诉了阿特·富里。得知电路能适配8引脚封装，他欣喜不已——在那个年代，8引脚封装的成本远低于14引脚封装。

接下来的五个月里，我完成了版图绘制，手工在红膜片上刻制电路图案，趴在光绘仪前反复核对尺寸和连线（全程无计算机辅助），制作光刻掩膜版和芯片原型晶圆，最终完成了这款集成电路的性能测试。阿特·富里为它命名为 NE555。

就在这段时间，我的一位前同事从西格尼蒂克离职，加入了一家初创公司。这家新公司推向市场的首款产品，正是我在设计评审会上展示的那款9引脚定时器。他们的产品比西格尼蒂克的NE555早两个月上市，然而当真正的NE555定时器问世后，他们的产品很快就黯然退场。

NE555定时器一经面市，市场反响堪称炸裂。阿特·富里做出了一个改写行业历史的决定——将这款芯片的售价定为史无前例的0.75美元。我在设计时特意赋予了NE555极高的灵活性，但令我始料未及的是，它90%的应用场景，都是我当初从未设想过的。此后数月，我每天都会接到大量工程师的来电，分享他们挖掘出的NE555新奇用法。

直至今日，NE555定时器依旧是全球销量最高的集成电路之一。无数厂商竞相仿制这款芯片，除了后来推出的CMOS版本外，它的核心设计方案半个多世纪以来从未改变。

本文编译整理自allaboutcircuits

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