С момента своего изобретения более полувека назад Гансом Камензиндом из Signetics, знакомый всем аналоговый таймер 555 (в сообществе с его совместимыми по выводам обновленными КМОП потомками) стал культовым элементом конструкций, используемым в полезных стандартизированных функциональных блоках, количество которых почти невозможно сосчитать. Список включает в себя автоколебательные и ждущие мультивибраторы, бистабильные схемы, преобразователи напряжения, генераторы прямоугольных, треугольных и пилообразных импульсов, преобразователи напряжение-частота и даже ШИМ-усилители.

Рисунок 1.	Диод D1 обуславливает температурную зависимость этой схемы на таймере 555.

Рисунок 1 иллюстрирует один из этих классических вариантов: генератор постоянной частоты с коэффициентом заполнения от 0% до 100%, бесступенчато регулируемым с помощью одного потенциометра P1.

Эта схема работает, потому что выход с открытым стоком DISCHARGE таймера 555 линейно разряжает конденсатор C1 через R1 (верхняя половина потенциометра P1) в течение части T_– периода выходных импульсов, а диод D1 контролирует нарастание тока C1, пропуская зарядный ток с выхода OUTPUT через R2 (нижняя половина потенциометра P1) во время положительного полупериода T₊, в результате чего:

К сожалению, последние две формулы отличаются от обычного независимого от температуры элегантного выражения для параметров импульсов таймера 555 из-за эффектов прямого падения напряжения V_D = ~700 мВ – 2 мВ/°C на типичном кремниевом диоде с планарным переходом, таком как 1N4148. Следовательно, временные интервалы изменяются с изменениями как температуры, так и напряжения питания V₊. Величина этих изменений обратно пропорциональна номинальному напряжению V₊ (Таблица 1) и может быть приемлемой для некоторых некритичных приложений, но, скорее всего, не тогда, когда прежде всего важна точность.

Таблица 1.	Коэффициенты ошибки схемы на Рисунке 1
V+ T+%/В T+ppm/°C 15 В 0.3% 140 ppm 10 В 0.7% 210 ppm 5 В 2.6% 440 ppm 3 В 7.0% 800 ppm

Рисунок 2.	MOSFET Q1 в инверсном включении восстанавливает точность таймера.

На Рисунке 2 показан способ решения проблемы. P-канальный MOSFET Q1 с инверсной полярностью включения управляет зарядным током C1 без какого-либо существенного падения напряжения, и, таким образом, позволяет реализовать новые расчетные формулы, не зависящие от температуры и V₊:

Теперь функция управления коэффициентом заполнения при неизменной частоте реализована без ущерба для присущей 555 точности.

Причина, по которой Q1 включен «вверх ногами», то есть стоком к шине положительного напряжения, а не истоком (в отличие от обычной практики для p-канальных полевых транзисторов), заключается в том, чтобы избежать прямого смещения паразитного диода полевого транзистора в ситуации, когда уровень напряжения на подключенном к стоку выводе OUTPUT низкий, в то время как конденсатор C1 поддерживает потенциал истока высоким. Дополнительным преимуществом является то, что при изменении уровня вывода OUTPUT на высокий паразитный диод сместится в прямом направлении, а значит, можно гарантировать, что вывод истока полевого транзистора будет положительным относительно вывода затвора, и в течение интервала T₊ транзистор войдет в полное насыщение.

Таблица 2.	Коэффициенты ошибки схемы на Рисунке 1 с диодом Шоттки
V+ T+%/В T+ppm/°C 15 В 0.2% 135 ppm 10 В 0.4% 200 ppm 5 В 1.4% 420 ppm 3 В 3.6% 720 ppm

Интересно, что вариант схемы, показанный на Рисунке 1, описан в третьем издании книги Горовица и Хилла «Искусство схемотехники», где вместо диода с p-n переходом показан диод Шоттки из-за более низкого напряжения V_D. Это хорошая идея, так как составляющая ошибки, вносимая V₊, значительно улучшается, но поскольку температурный коэффициент диода Шоттки (–2 мВ/°C) аналогичен коэффициенту диодов с p-n переходом, температурная составляющая ошибки остается практически неизменной (Таблица 2).

1. Datasheet Texas Instruments LMC555
2. Datasheet Diodes DMP32D9UFZ