¿Por qué el CI del temporizador 555 tiene tres resistencias de 5k y no otros valores?

Question

¿Por qué el IC del temporizador 555 tiene tres resistencias de 5k y no otros valores, como 10k-10k-10k o algo más?

Answer 1

El original 555 con resistencias de 5K:

Y aquí hay una versión CMOS con resistencias de 40K:

La elección de las resistencias para R7, R8, R9 (versión bipolar) estaría influenciada por dos cosas-

1) El deseo de minimizar el consumo de energía (el valor más alto posible sin utilizar demasiada área de chip)

2) El deseo de minimizar las variaciones de temperatura debido a los cambios beta de los pares Darlington Q3/Q4 y Q12/Q13.

El segundo punto no se aplica a la versión CMOS.

Es fácil ver que la resistencia equivalente a la fuente de Thevenin para cualquiera de los dos nodos es 2/3 del valor de la resistencia.

Podemos adivinar fácilmente cuáles son los límites de producción de las corrientes dibujadas en esos nodos a partir de una hoja de datos del 555: el circuito es simétrico (horizontalmente) y las corrientes serán las mismas que las corrientes de disparo y de umbral. Las corrientes son bastante diferentes, probablemente debido a la baja beta de los PNP laterales.

Hans Camenzind dice que el offset del comparador puede llegar a ser de 30mV, lo que implica una gran tensión de offset además de los 7mV máximos debidos a la corriente de polarización de entrada, pero la corriente de polarización de entrada es bastante variable con la temperatura (quizá 3:1 en el rango de funcionamiento). Si suponemos que cambia de 0,7uA a 2uA, a 5V eso sería un cambio en el umbral del 0,25% o unos 15ppm/K. La precisión real global es de unos 24ppm/K, por lo que las resistencias no son excesivamente dominantes (el offset cambiará en algo así como proporcional a la temperatura absoluta).

En los años 70, 10mA a 15V o 3mA a 5V se consideraba un consumo razonablemente bajo, por lo que HC probablemente eligió las resistencias por ser "razonables", ni demasiado grandes ni demasiado pequeñas, y todo esto fue antes de los ordenadores, por lo que no habría tenido la opción de ejecutar una rutina de optimización para obtener el valor impar que minimizara alguna función de coste arbitraria.

Aquí está la foto del troquel real ( tomada por HC y publicada en IEEE Spectrum ), con las resistencias resaltadas.

Answer 2

No importa el valor exacto, siempre que las tres resistencias tengan el mismo valor.

El valor es un compromiso entre varias restricciones de diseño. Por un lado, se desea que el valor sea grande, para minimizar los requisitos de corriente de reposo del chip. Por otro lado, las resistencias de gran valor ocupan mucho espacio físico en el chip. También hay que tener en cuenta que se quiere que las corrientes de polarización de entrada de los comparadores sean una pequeña fracción de la corriente de las resistencias.

Teniendo en cuenta todo esto, el diseñador se decantó por un valor de unos 5.000 euros.

Answer 3

Veamos el silicio.

Las tres resistencias de 5k son las barras horizontales de la parte superior del chip. Fabricar resistencias en silicio es una tarea ardua; los materiales disponibles son todos bastante conductores, por lo que es difícil fabricar resistencias de gran valor y precisión. En el momento de diseñar el 555, el tamaño mínimo de las características era bastante grande, lo suficiente como para que se viera con un microscopio óptico, como en esa foto. Existe la restricción de diseño adicional de que esas resistencias afectan a la precisión del temporizador. Eso probablemente determina la elección del material, que tendrá una determinada resistencia en ohmios por micrómetro.

A partir de ahí, podemos ver que las resistencias de 5k no podían hacerse mucho más grandes en el espacio disponible. Tal vez se podrían haber hecho de 6k, pero la elección de 5k hace que sea más sencillo para los usuarios del chip calcular los valores del temporizador a mano.

(Creo que el "5.0E" en el chip es en realidad una marca de registro que indica que esa es la capa 5, como las más pequeñas en la parte superior del chip. No es un valor de componente).