Les cinquante ans du circuit intégré 555

Qu'obtenez-vous quand un innovateur suisse et un fabricant américain de semi-conducteurs se mettent en couple ? Examinons l'histoire du circuit intégré de temporisation 555.

Le temps est un sujet fascinant. Il est perçu différemment par les différentes cultures. Aux États-Unis, "le temps, c'est de l'argent". Les cultures d'Europe du Sud semblent avoir une approche plus flexible du temps. Au Japon, un opérateur ferroviaire a causé un tollé lorsque son train est parti 25 secondes plus tôt — le deuxième incident de ce genre en six mois! Les Suisses sont connus pour leur ponctualité, leurs montres et leurs horloges a coucous. Que s'est-il donc passé lorsque l'émigré suisse Hans Camenzind a entrepris de construire le premier circuit intégré de temporisation au monde, le circuit intégré (CI) 555, pour une société américaine de semi-conducteurs?

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Un peu d'histoire

Le début des années 1970 fut une période passionnante pour les physiciens et les ingénieurs de l'industrie naissante des semi-conducteurs. Le processus planaire avait été inventé. Il permettait de construire des circuits complexes sur un bout de silicium. Tout le monde développait des circuits miniatures tout en optimisant le processus de fabrication. Hans Camenzind travaillait comme chercheur chez P. R. Mallory, reconnu pour leurs batteries sèches, aux États-Unis. En 1968, il a commencé à travailler chez Signetics, une société créée en 1961 par une équipe d'anciens ingénieurs de Fairchild. Les fondateurs avaient estimé que Fairchild était trop axée sur les transistors et que l'avenir était aux circuits intégrés.

En Suisse, Camenzind avait entrepris un apprentissage pour devenir ingénieur radio. Après avoir émigré aux États-Unis, il a enseigné la conception de circuits tout en préparant un master en administration des affaires. Il a compris les défis de la conception radio et après avoir fait des recherches sur les BVP (PLL), il a réussi à convaincre Signetics d'en construire une lorsqu'il les a rejoint en 1968. Cela a abouti à la création de deux produits : le 565 et le 566. Ces dispositifs nécessitaient un oscillateur pour fonctionner, utilisant un circuit RC pour régler sa fréquence. À l'époque, les tolérances des composants des circuits intégrés étaient relativement élevées en raison de la forte variation dans les processus de fabrication. La conception de l'oscillateur devait donc être invariante par rapport à ces imprécisions, ainsi que par rapport à la température et à la tension d'alimentation

Signetics trébuche

Au cours des années 60, Signetics a constitué un répertoire solide de circuits intégrés linéaires, tels que les amplificateurs opérationnels et les boucles à verrouillage de phase (PLL), et une bonne collection de dispositifs logiques numériques. Ils étaient devenus la norme dans de nombreux appareils. Fairchild, qui avait depuis décidé que les circuits intégrés étaient intéressants, avait copié plusieurs de leurs conceptions. Vers la fin des années 1960, ils ont connu des difficultés financières en tentant de concurrencer Fairchild et d'autres fabricants. Camenzind avait développé des PLL, mais il s'est désillusionné de son rôle comme son employeur semblait trébucher, malgré l’avantage technique qu’il offrait. Il a quitté en 1971, en prévoyant d'écrire un livre, laissant la porte ouverte pour continuer à travailler pour eux en tant que consultant en conception.

Pour Camenzind, l'oscillateur utilisé pour les PLL semblait avoir les qualités d'un produit à part entière. Son premier projet de consultation à Signetics était une proposition de concevoir un oscillateur qui pourrait également fonctionner en tant qu’un temporisateur. Certains hésitaient, car cette conception pourrait avoir un impact sur les ventes d'autres dispositifs de la même gamme, comme les amplificateurs opérationnels. Cependant, l'autre personnalité de cette histoire, Art Fury, un responsable marketing, estimait que le produit valait la peine d'être construit. Art Fury était exceptionnel parmi les responsables du marketing, car il possédait un laboratoire à la maison, Il savait construire des circuits et il avait une perception naturelle du marché.

Il est temps pour concevoir un oscillateur

Camenzind a continué à concevoir son oscillateur, malgré son revenu plus bas. Cependant, en raison de la récession des années 1970, Signetics avait licencié plusieurs de son équipe d'ingénieurs. Il restait donc des équipements inutilisés dans le laboratoire qu'ils lui prêtaient pour travailler sur sa conception.

Le produit final se composait de deux comparateurs, d'un transistor de décharge, d'un diviseur de résistance et d'une bascule de mise et remise à zéro, qui offrait trois modes de fonctionnement: monostable (one-shot), astable (oscillatoire) et temporisé. La fréquence ou la temporisation était configurée à l'aide d'une simple résistance et d'un condensateur. Le mode monostable permettait aux ingénieurs de mettre en œuvre des délais allant jusqu'à une heure. Cependant, dans la pratique, un schéma de décompte était préférable pour mettre en œuvre des délais aussi longs en raison du coût des condensateurs à faible fuite. En mode astable, il était possible d'obtenir des sorties allant jusqu'à 1 MHz. Cependant, la note AN170 du Signetics Applications Manual de 1985 recommandait une limite supérieure de 500 kHz dans l'intérêt de la stabilité en température.

555: Génie du marketing

Le nom mémorable du produit 555 est attribué à Fury, qui l'a choisi arbitrairement. Malgré cela, de nombreux textes et ressources associent encore à tort ce nom à l'utilisation de trois résistances de 5 kΩ dans le circuit. Il a été lancé en 1972 dans un DIP en plastique à huit broches (NE555V) pour la gamme de température commerciale et en une boîte métallique TO5 (SE555T) pour la gamme de température militaire. À la fin de l'année, National Semiconductor, Fairchild et d'autres avaient des versions sur le marché. Plus tard, d'autres variantes ont été lancées, intégrant deux timers (556) et quatre timers réduits (558/559) dans un seul boîtier.

Le 555 existe encore aujourd'hui dans sa conception bipolaire originale ainsi que dans des variantes CMOS. Il existe même des variantes à haute fiabilité (XTR650) basées sur la technologie du silicium sur isolant (SOI) pour un fonctionnement dans une plage de -60°C à +230°C. Son utilisation est presque devenue un rite de passage pour les étudiants en électronique et a été intégrée dans des servo-contrôleurs, des jouets, des applications spatiales et des amplificateurs de classe-D. La conception est même disponible sous forme de kit utilisant des composants discrets.

Alors, qu'obtenez-vous lorsque vous mélangez un innovateur suisse avec une entreprise américaine de fabrication de semi-conducteurs ? Avec des milliards de puces vendues au cours des 50 dernières années: le temps et l'argent

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Elektor vend une impression Retro Electro qui célèbre un des premiers circuits intégrés de Signetics. Le NE555, conçu par Hans Camenzind, a été un point de départ pour de nombreux ingénieurs et fabricants d'électronique.