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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 。
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?。 閡豢畬嫘酒牡?
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 。
【一款傳奇芯片的誕生：NE555定時器研發往事】本文編譯整理自allaboutcircuits
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