¿Por qué 555 timer IC tiene tres resistencias de 5k y ningún otro valor?

¿Por qué el 555 timer IC tiene tres resistencias de 5k y no otros valores, como 10k-10k-10k u otra cosa?

El 555 original con resistencias de 5K:

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

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

1) El deseo de minimizar el consumo de energía (el mayor valor posible sin usar 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 de fuente equivalente de Thevenin para cualquier nodo es 2/3 del valor de la resistencia.

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

Hans Camenzind dice que la compensación del comparador puede ser tan grande como 30 mV, lo que implica un gran voltaje de compensación por encima del máximo de 7 mV debido a la corriente de polarización de entrada, pero la corriente de polarización de entrada es bastante variable con la temperatura (tal vez 3: 1 sobre el rango operativo ) Si asumimos que cambia de 0.7uA a 2uA, a 5V eso sería un cambio en el umbral de 0.25% o aproximadamente 15ppm / K. La precisión real general es de aproximadamente 24 ppm / K, por lo que las resistencias no son demasiado dominantes (el desplazamiento cambiará a algo así como proporcional a la temperatura absoluta).

En los años 70, 10 mA a 15 V o 3 mA a 5 V se consideraba razonablemente baja potencia, por lo que HC probablemente eligió las resistencias como "razonables": no demasiado grandes ni demasiado pequeñas, y esto era todo precomputadoras, por lo que no he tenido la opción de ejecutar una rutina de optimización para obtener un valor impar que minimizara alguna función de costo arbitrario.

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

No importa cuál sea el valor exacto, siempre y cuando las tres resistencias tengan el mismo valor.

El valor es una compensación entre varias restricciones de diseño. Por un lado, 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 existe la consideración de que desea que las corrientes de polarización de entrada de los comparadores sean una pequeña fracción de la corriente en las resistencias.

Teniendo todo esto en cuenta, el diseñador se decidió por un valor de alrededor de 5K.

¡Miremos el silicio!

Las tres resistencias de 5k son las barras horizontales en la parte superior del chip. Hacer resistencias en silicio es un dolor; Los materiales disponibles son bastante conductores, por lo que es difícil hacer resistencias precisas de gran valor. En el momento del diseño del 555, el tamaño mínimo de la característica era bastante grande, lo suficientemente grande como para verse con un microscopio óptico como en esa foto. Existe la restricción de diseño adicional de que esas resistencias afectan la precisión del temporizador. Eso probablemente determina la elección del material, que tendrá una cierta resistencia en ohmios por micrómetro.

A partir de ahí, podemos ver que las resistencias de 5k no podrían hacerse mucho más grandes en el espacio disponible. Quizás podrían haberse hecho 6k, pero elegir 5k hace que sea más simple para los usuarios del chip calcular los valores del temporizador a mano.

(Creo que el "5.0E" en el chip en realidad es 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).