基于180 nm CMOS工艺的555定时器设计与仿真验证
集成电路应用
王馨谊，张景阳，于贺
山东理工大学物理与光电工程学院
摘要： 针对传统双极型555定时器功耗高、电源范围窄等不足，该研究基于180 nm CMOS工艺，完成了555定时器的设计与仿真验证。核心比较器采用五管OTA结合PMOS输入对管技术，有效优化了输入共模范围；通过Cascode电流镜保障了3 V~15 V宽电压下的阈值精度 。利用仿真软件进行后仿真验证，芯片在 15 V 供电下功耗仅为3.05 mW，较传统方案降低90%以上。在典型及大多数工艺角条件下，频率温漂优于10%，仅在SS工艺角极端条件下出现小幅超标，整体实验结果满足便携式低功耗模拟芯片的应用需求。
中图分类号：TN432.3文献标识码：ADOI:10.19339/j.issn.1674-2583.2026.01.003
中文引用格式：王馨谊，张景阳，于贺. 基于180 nm CMOS工艺的555定时器设计与仿真验证［J］.集成电路应用，2026，43（01）：23-28.
英文引用格式：Wang Xin Yi，Zhang Jing Yang，Yu He. Design and simulation verification of 555 timer based on 180 nm cmos process［J］.Application of IC，2026，43（01）：23-28.
中文引用格式：王馨谊，张景阳，于贺. 基于180 nm CMOS工艺的555定时器设计与仿真验证［J］.集成电路应用，2026，43（01）：23-28.
英文引用格式：Wang Xin Yi，Zhang Jing Yang，Yu He. Design and simulation verification of 555 timer based on 180 nm cmos process［J］.Application of IC，2026，43（01）：23-28.
Design and simulation verification of 555 timer based on 180 nm cmos process
Wang Xinyi，Zhang Jingyang，Yu He
Shandong University of Technology
Abstract： To address the limitations of traditional bipolar 555 timers, such as high power consumption and a narrow supply voltage range, this paper presents the design and simulation verification of a 555 timer based on 180 nm CMOS process. The core comparators adopt a five-transistor operational transconductance amplifier (OTA) topology combined with a PMOS input differential pair, which effectively optimizes the input common-mode range and suppresses offset voltage. A Cascode current mirror, integrated with a resistive voltage-divider network, ensures threshold accuracy over a wide supply voltage range from 3 V to 15 V. Post-layout verification using simulation software shows that the chip consumes only 3.05 mW under a 15 V supply, representing a reduction of more than 90% compared to traditional implementations. Under typical and most process corner conditions, the frequency temperature drift is better than 10%. A slight exceedance occurs only under the extreme SS process corner, and the overall experimental result fulfills the application requirements for portable low-power analog chips.
Key words : 555 timer; CMOS integrated circuit; 180 nm process; low-power design
引言
555定时器因成本低、性能稳定且应用灵活，长期以来在电子系统中得到广泛应用。该器件可通过外接简单的阻容元件实现单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器等典型电路结构，因此在脉冲产生、信号定时、波形变换与整形等领域被广泛采用，是数字电子技术中最常见的通用集成电路之一［1］。同时，由555定时器构成的电路，其暂稳态时间、振荡频率等关键参数可通过外接阻容元件进行灵活调节，从而满足仪器仪表、家用电器及自动控制系统等不同应用场景的需求［2］。
然而，传统双极型555定时器仍存在一定的性能局限。例如，在15 V供电条件下其静态功耗通常超过200 mW［3］，不利于低功耗电子系统的应用需求。此外，在由其构成的不可重发单稳态触发器中，当输入负脉冲宽度大于暂稳态时间时，输出波形容易产生抖动，从而影响定时功能的稳定性［4］。
随着集成电路工艺的发展，降低功耗已成为模拟与混合信号电路设计中的重要考虑因素。CMOS工艺由于其低静态功耗及较好的集成特性，已被广泛应用于相关电路设计中［5］。在低功耗设计方面，从器件尺寸选择及偏置策略等角度对电路性能进行了分析，为电路级优化提供了参考［6-7］。本文基于180 nm CMOS工艺，对555定时器进行全定制集成电路设计，并通过仿真验证其性能，为低功耗模拟定时芯片设计提供参考。
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作者信息：
王馨谊，张景阳，于贺
（山东理工大学物理与光电工程学院，山东淄博255000）
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