一款傳奇芯片的誕生：NE555定時器研發往事

本文是一款爆款芯片的設計師

漢斯?卡門津德（Hans Camenzind）的

回憶錄，第一手敘述了這款經久不衰的集成電路背后的研發故事。

那是1970年的夏天，經濟正處于周期谷底。兩年前我剛加入的新星企業西格尼蒂克（Signetics），一下子裁掉了半數員工。

目睹這般變故，我心灰意冷，決心自立門戶。我在加州桑尼維爾市中心的兩家中餐館之間，租下了一小塊辦公場地。西格尼蒂克（后來被飛利浦收購）不僅借給我研發所需的設備，還與我簽下了一份為期一年的合同，委托我開發一款新型集成電路。

NE566壓控振蕩器：靈感的起點

這款新芯片的研發靈感，源于我在西格尼蒂克從事鎖相環研究時的工作。當時，我需要一款振蕩頻率可通過外接電阻和電容調節的振蕩器，同時它的性能還不能受電源電壓波動和溫度變化的影響。基于這一核心設計思路，我們陸續推出了多款產品，NE566壓控振蕩器便是其中之一（見圖1）。

圖1 NE566振蕩器基本結構

注：在實際電路中，比較器與觸發器被整合為一個施密特觸發器。

這款振蕩器的核心模塊是一個電壓-電流轉換器。運算放大器正輸入端的參考電壓并未經過穩壓處理，僅為電源電壓的一部分。通過負反饋機制，運算放大器能夠維持外接電阻兩端的電壓穩定，因此流經該電阻的電流可表示為：

由觸發器控制的開關，會決定外接電容的充放電狀態：電容要么通過上述電流充電，要么通過1:1電流鏡，由等量電流完成放電。

電路中設有一個由三個等值電阻構成的分壓網絡，兩個分壓點的電壓分別為 和 。兩個比較器以此為參考電壓，實時監測外接電容兩端的電壓。當電容電壓升至 時，電路會觸發一系列連鎖反應：

• 1比較器1輸出高電平，置位觸發器；

• 1開關切換通路，將電流導向電流鏡；

• 1外接電容開始放電。

當電容電壓降至 時，比較器2會復位觸發器，電容隨即再次進入充電狀態。如此周而復始的循環，便生成了圖2所示的三角波。

圖2 NE566振蕩器輸出的三角波

盡管三角波的幅值受電源電壓影響，但充放電電流同樣與電源電壓相關，這兩種效應相互抵消。排除芯片內部的微小誤差（如運算放大器和比較器的失調電壓、電流鏡的匹配精度等），振蕩頻率可精確表示為：

初代設計的遺憾：我本可以做得更好

我向西格尼蒂克提出了一個改進方案：對NE566電路進行優化，使其具備觸發功能，能夠輸出單周期信號。換句話說，這款芯片既能充當振蕩器，又能作為定時器使用。

這個項目險些胎死腹中。公司的工程師團隊并不看好這個想法——在當時，定時器通常由運算放大器或比較器，外加一兩個齊納二極管等分立元件搭建而成。他們認為，這款新型集成定時器會沖擊公司現有集成電路產品的銷量。

關鍵時刻，市場部經理阿特·富里力排眾議。憑借豐富的行業實戰經驗，他直覺篤定這款定時器必將大獲成功。

這份合同的期限為一年，而電路設計就耗費了半年時間。當時沒有任何計算機輔助分析工具，所有電路都得靠手工搭建實驗板，反復調試驗證。當原型電路完全達到設計指標后，我撰寫了一份研發報告，并在西格尼蒂克組織了一場設計評審會。令人意外的是，這份設計方案毫無異議地順利通過。

但我總覺得哪里不對勁。我隱約察覺到，自己似乎遺漏了什么關鍵細節，這款電路本該有更優的設計。最讓我耿耿于懷的是，它需要9個引腳——這個引腳數堪稱“最尷尬的選擇”：當時市面上既有8引腳封裝，下一檔就是14引腳封裝，9引腳的設計完全找不到適配的標準封裝。

靈光一閃：改寫芯片命運的突破

接下來我開始著手電路版圖的繪制。1971年的版圖設計，意味著要在繪圖板前耗費數周時間，將一個個元器件排布成最小的矩形結構，每一個尺寸參數都得靠手工核對。

就在設計評審結束兩周后的一個下班路上，我突然靈光一閃：如果去掉電壓-電流轉換器，直接用電阻對電容進行充放電，會發生什么？這一改動，恰好能將引腳數降至8個！

我當即掉轉車頭，趕回工作室驗證這個想法。果然，調整電源電壓后，電路的定時精度絲毫未受影響。此前我一直陷入思維定式，誤以為只有讓充電電流與電容電壓呈線性關系，才能實現誤差抵消的效果。

而實際情況是，即便電容通過電阻充電時，電壓呈指數規律上升，誤差抵消的效果依然顯著。更重要的是，去掉電壓-電流轉換器后，新電路不僅體積更小，定時精度也大幅提升。

引爆市場：一款傳奇芯片的誕生

我立刻修改了電路設計，卻沒有再申請組織第二次設計評審會，只是把這個改動告訴了阿特·富里。得知電路能適配8引腳封裝，他欣喜不已——在那個年代，8引腳封裝的成本遠低于14引腳封裝。

接下來的五個月里，我完成了版圖繪制，手工在紅膜片上刻制電路圖案，趴在光繪儀前反復核對尺寸和連線（全程無計算機輔助），制作光刻掩膜版和芯片原型晶圓，最終完成了這款集成電路的性能測試。阿特·富里為它命名為 NE555。

就在這段時間，我的一位前同事從西格尼蒂克離職，加入了一家初創公司。這家新公司推向市場的首款產品，正是我在設計評審會上展示的那款9引腳定時器。他們的產品比西格尼蒂克的NE555早兩個月上市，然而當真正的NE555定時器問世后，他們的產品很快就黯然退場。

NE555定時器一經面市，市場反響堪稱炸裂。阿特·富里做出了一個改寫行業歷史的決定——將這款芯片的售價定為史無前例的0.75美元。我在設計時特意賦予了NE555極高的靈活性，但令我始料未及的是，它90%的應用場景，都是我當初從未設想過的。此后數月，我每天都會接到大量工程師的來電，分享他們挖掘出的NE555新奇用法。

直至今日，NE555定時器依舊是全球銷量最高的集成電路之一。無數廠商競相仿制這款芯片，除了后來推出的CMOS版本外，它的核心設計方案半個多世紀以來從未改變。

本文編譯整理自allaboutcircuits

邀請函