555定时器再造神话：改良VCO实现高动态范围

鸣涧

新型555 VCO架构有助于改善传统电路设计，并通过QSPICE仿真与实测验证性能…

众所周知，555定时器在非稳态(astable)模式下，可以通过在引脚5 (Pin 5)施加控制电压(CV)来实现频率调制。图1左侧的电路图显示了这种经典的555压控振荡器(VCO)架构。

图1：经典的VCO (左)与新型555 VCO改进版本 (右)，其中Pin 5引脚未进行调制，因此可实现独立于频率的恒定50%脉冲宽度。

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对Pin 5进行调制存在一些严重缺点：控制电压(CV)必须明显大于0V且小于V+，否则振荡会停止。

相较于典型VCO，一般VCO在CV=0时输出为0Hz或Fmin，并在CVmax时达到Fmax，而经典555 VCO的CV行为则为反向且非线性的。这是由于其调制了Schmitt触发器的上、下阈值电压，而脉冲宽度将随频率改变。其实用的调谐范围Fmax/Fmin仅约为3。

在Stephen Woodward先前发表的文章中，提出了一些巧妙的改进方法：可实现音高线性(linear-in-pitch)的CV行为并将范围扩展至3个八度，但仍然受到Pin 5调制相关缺点的限制。

图1右侧显示了一种新的555 VCO改进版本。在此架构中，Pin 5未被调制，因此可实现与频率无关的固定50%脉冲宽度。

当CV上升时，振荡频率也会提高。CV=0可行并会产生Fmin。

此电路的实用调谐范围大于10，甚至可达≥100，但仍有一些后续的限制条件说明如下。

尽管此电路与经典555非稳态配置一样仅使用2个电阻与1个电容，其工作原理却较难理解。其基本功能是在电容C上的三角波电压中加入输出方波电压的一部分，从而提升频率。在我最近的一篇文章“传统RC振荡器调谐总踩坑？看这篇改造方案”中就描述了此原理。

在该设计中，我使用可变电阻(potentiometer)将输出电压的一部分加到电容电压上。

而在新的555 VCO变体中，此可变电阻电压改由外部CV取代，并由555的放电输出(pin 7)进行切换(chopped)。

当CV为0时，C3右侧电压也为0，此时VCO输出Fmin。当CV上升时，C3右侧会出现介于0V (pin 7放电时)与CV(pin 7开路时)之间的方波电压。

这类似我先前提到的那篇设计实例内容，此方波电压必须始终小于迟滞电压 (对于555而言Vh=V+/3)，否则Fmax将趋近于无限大。因此，如果希望达到较高的Fmax/Fmin比值，则必须谨慎限制CVmax。

图2显示使用QSPICE仿真CV从0V到3.9V (每步进100mV)时的频率变化。

图2：QSPICE仿真结果显示CV从0V至3.9V(步进100mV)时频率的变化关系。

使用图1所示组件数值与V+=12V制作了一个面包板原型电路，并粗略的测量其频率对CV曲线。测量结果以红点标示于图2的QSPICE仿真图中。

实测波形结果

图3显示了Fmin时的示波器截图。

图3：Fmin时的示波器截图，CH1 (黄色)为输出电压，CH2 (洋红色)为CV=0。

总结而言，此新型555 VCO电路克服了经典版本的一些缺点，例如受限的CV范围、CV与频率之间的反向关系，以及脉冲宽度随频率变化，且未增加额外组件数量。

然而，此电路仍然存在CV与频率之间的非线性关系。未来可通过使用闭环电路，例如加入运算放大器(op amp)与简单的电荷泵，以改善其线性特性，但这将使组件数量增加至2个芯片。

(原文刊登于EDN美国版，参考链接：555 VCO revisited。)