本文是一款爆款芯片的設(shè)計(jì)師

漢斯?卡門津德（Hans Camenzind）的

回憶錄，第一手?jǐn)⑹隽诉@款經(jīng)久不衰的集成電路背后的研發(fā)故事。

那是1970年的夏天，經(jīng)濟(jì)正處于周期谷底。兩年前我剛加入的新星企業(yè)西格尼蒂克（Signetics），一下子裁掉了半數(shù)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(chǎng)地。西格尼蒂克（后來(lái)被飛利浦收購(gòu)）不僅借給我研發(fā)所需的設(shè)備，還與我簽下了一份為期一年的合同，委托我開發(fā)一款新型集成電路。

NE566壓控振蕩器：靈感的起點(diǎn)

這款新芯片的研發(fā)靈感，源于我在西格尼蒂克從事鎖相環(huán)研究時(shí)的工作。當(dāng)時(shí)，我需要一款振蕩頻率可通過(guò)外接電阻和電容調(diào)節(jié)的振蕩器，同時(shí)它的性能還不能受電源電壓波動(dòng)和溫度變化的影響�；谶@一核心設(shè)計(jì)思路，我們陸續(xù)推出了多款產(chǎn)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(jié)構(gòu)

注：在實(shí)際電路中，比較器與觸發(fā)器被整合為一個(gè)施密特觸發(fā)器。

這款振蕩器的核心模塊是一個(gè)電壓-電流轉(zhuǎn)換器。運(yùn)算放大器正輸入端的參考電壓并未經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓處理，僅為電源電壓的一部分。通過(guò)負(fù)反饋機(jī)制，運(yùn)算放大器能夠維持外接電阻兩端的電壓穩(wěn)定，因此流經(jīng)該電阻的電流可表示為：

由觸發(fā)器控制的開關(guān)，會(huì)決定外接電容的充放電狀態(tài)：電容要么通過(guò)上述電流充電，要么通過(guò)1:1電流鏡，由等量電流完成放電。

電路中設(shè)有一個(gè)由三個(gè)等值電阻構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)分壓點(diǎn)的電壓分別為 和 。兩個(gè)比較器以此為參考電壓，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外接電容兩端的電壓。當(dāng)電容電壓升至 時(shí)，電路會(huì)觸發(fā)一系列連鎖反應(yīng)：

• 1比較器1輸出高電平，置位觸發(fā)器；

• 1開關(guān)切換通路，將電流導(dǎo)向電流鏡；

• 1外接電容開始放電。

當(dāng)電容電壓降至 時(shí)，比較器2會(huì)復(fù)位觸發(fā)器，電容隨即再次進(jìn)入充電狀態(tài)。如此周而復(fù)始的循環(huán)，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(guān)，這兩種效應(yīng)相互抵消。排除芯片內(nèi)部的微小誤差（如運(yùn)算放大器和比較器的失調(diào)電壓、電流鏡的匹配精度等），振蕩頻率可精確表示為：

初代設(shè)計(jì)的遺憾：我本可以做得更好

我向西格尼蒂克提出了一個(gè)改進(jìn)方案：對(duì)NE566電路進(jìn)行優(yōu)化，使其具備觸發(fā)功能，能夠輸出單周期信號(hào)。換句話說(shuō)，這款芯片既能充當(dāng)振蕩器，又能作為定時(shí)器使用。

這個(gè)項(xiàng)目險(xiǎn)些胎死腹中。公司的工程師團(tuán)隊(duì)并不看好這個(gè)想法——在當(dāng)時(shí)，定時(shí)器通常由運(yùn)算放大器或比較器，外加一兩個(gè)齊納二極管等分立元件搭建而成。他們認(rèn)為，這款新型集成定時(shí)器會(huì)沖擊公司現(xiàn)有集成電路產(chǎn)品的銷量。

關(guān)鍵時(shí)刻，市場(chǎng)部經(jīng)理阿特·富里力排眾議。憑借豐富的行業(yè)實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，他直覺(jué)篤定這款定時(shí)器必將大獲成功。

這份合同的期限為一年，而電路設(shè)計(jì)就耗費(fèi)了半年時(shí)間。當(dāng)時(shí)沒(méi)有任何計(jì)算機(jī)輔助分析工具，所有電路都得靠手工搭建實(shí)驗(yàn)板，反復(fù)調(diào)試驗(yàn)證。當(dāng)原型電路完全達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)后，我撰寫了一份研發(fā)報(bào)告，并在西格尼蒂克組織了一場(chǎng)設(shè)計(jì)評(píng)審會(huì)。令人意外的是，這份設(shè)計(jì)方案毫無(wú)異議地順利通過(guò)。

但我總覺(jué)得哪里不對(duì)勁。我隱約察覺(jué)到，自己似乎遺漏了什么關(guān)鍵細(xì)節(jié)，這款電路本該有更優(yōu)的設(shè)計(jì)。最讓我耿耿于懷的是，它需要9個(gè)引腳——這個(gè)引腳數(shù)堪稱“最尷尬的選擇”：當(dāng)時(shí)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(shè)計(jì)完全找不到適配的標(biāo)準(zhǔn)封裝。

靈光一閃：改寫芯片命運(yùn)的突破

接下來(lái)我開始著手電路版圖的繪制。1971年的版圖設(shè)計(jì)，意味著要在繪圖板前耗費(fèi)數(shù)周時(shí)間，將一個(gè)個(gè)元器件排布成最小的矩形結(jié)構(gòu)，每一個(gè)尺寸參數(shù)都得靠手工核對(duì)。

就在設(shè)計(jì)評(píng)審結(jié)束兩周后的一個(gè)下班路上，我突然靈光一閃：如果去掉電壓-電流轉(zhuǎn)換器，直接用電阻對(duì)電容進(jìn)行充放電，會(huì)發(fā)生什么？這一改動(dòng)，恰好能將引腳數(shù)降至8個(gè)！

我當(dāng)即掉轉(zhuǎn)車頭，趕回工作室驗(yàn)證這個(gè)想法。果然，調(diào)整電源電壓后，電路的定時(shí)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(guān)系，才能實(shí)現(xiàn)誤差抵消的效果。

而實(shí)際情況是，即便電容通過(guò)電阻充電時(shí)，電壓呈指數(shù)規(guī)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(zhuǎn)換器后，新電路不僅體積更小，定時(shí)精度也大幅提升。

引爆市場(chǎng)：一款傳奇芯片的誕生

我立刻修改了電路設(shè)計(jì)，卻沒(méi)有再申請(qǐng)組織第二次設(shè)計(jì)評(píng)審會(huì)，只是把這個(gè)改動(dòng)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(gè)年代，8引腳封裝的成本遠(yuǎn)低于14引腳封裝。

接下來(lái)的五個(gè)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(fù)核對(duì)尺寸和連線（全程無(wú)計(jì)算機(jī)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(cè)試。阿特·富里為它命名為 NE555。

就在這段時(shí)間，我的一位前同事從西格尼蒂克離職，加入了一家初創(chuàng)公司。這家新公司推向市場(chǎng)的首款產(chǎn)品，正是我在設(shè)計(jì)評(píng)審會(huì)上展示的那款9引腳定時(shí)器。他們的產(chǎn)品比西格尼蒂克的NE555早兩個(gè)月上市，然而當(dāng)真正的NE555定時(shí)器問(wèn)世后，他們的產(chǎn)品很快就黯然退場(chǎng)。

NE555定時(shí)器一經(jīng)面市，市場(chǎng)反響堪稱炸裂。阿特·富里做出了一個(gè)改寫行業(yè)歷史的決定——將這款芯片的售價(jià)定為史無(wú)前例的0.75美元。我在設(shè)計(jì)時(shí)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(yīng)用場(chǎng)景，都是我當(dāng)初從未設(shè)想過(guò)的。此后數(shù)月，我每天都會(huì)接到大量工程師的來(lái)電，分享他們挖掘出的NE555新奇用法。

直至今日，NE555定時(shí)器依舊是全球銷量最高的集成電路之一。無(wú)數(shù)廠商競(jìng)相仿制這款芯片，除了后來(lái)推出的CMOS版本外，它的核心設(shè)計(jì)方案半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)從未改變。

本文編譯整理自allaboutcircuits

邀請(qǐng)函