硅芯片拆解：早期 555 定時(shí)器芯片內(nèi)部一覽

發(fā)布人：旺材芯片時(shí)間：2022-06-14 來源：工程師

加入技術(shù)交流群
- 掃碼加入
  和技術(shù)大咖面對(duì)面交流
  海量資料庫(kù)查詢

來源：芯片之家

作者：Ken Shirriff，排版：曉宇

555定時(shí)器如果你玩過電子電路，你大概率是知道 555 定時(shí)器集成電路的，據(jù)說是世界上最暢銷的集成電路，已售出數(shù)十億。由模擬 IC 奇才 Hans Camenzind 設(shè)計(jì)的 555 被稱為有史以來最偉大的芯片之一。

一個(gè)帶有 Signetics 標(biāo)志的 8 針 555 定時(shí)器。它沒有 555 標(biāo)簽，而是標(biāo)有“52B 01003”和 7304 日期代碼，表示 1973 年的第 4 周。

乏味地打磨環(huán)氧樹脂封裝以露出芯片（下圖），并確定芯片是 555 定時(shí)器。Signetics 在 1972 年年中發(fā)布了 555 定時(shí)器，下面的芯片有一個(gè) 1973 年 1 月的日期代碼（7304），所以它一定是最早的 555 定時(shí)器之一。奇怪的是，它沒有標(biāo)為 555，所以它可能是原型或內(nèi)部版本。我拍攝了詳細(xì)的模具照片，在這篇博文中進(jìn)行了討論。

555 定時(shí)器的封裝被打磨，露出硅芯片，中間的小方塊。

簡(jiǎn)要說明

555 定時(shí)器有數(shù)百種應(yīng)用，從定時(shí)器或鎖存器到壓控振蕩器或調(diào)制器的任何操作。下圖說明了 555 定時(shí)器如何作為一個(gè)簡(jiǎn)單的振蕩器工作。在 555 芯片內(nèi)部，三個(gè)電阻形成一個(gè)分壓器，產(chǎn)生 1/3 和 2/3 的電源電壓的參考電壓。外部電容器將在這些限制之間充電和放電，從而產(chǎn)生振蕩。更詳細(xì)地說，電容器將通過外部電阻器緩慢充電 (A)，直到其電壓達(dá)到 2/3 參考電壓。在該點(diǎn) (B)，上（閾值）比較器關(guān)閉觸發(fā)器并關(guān)閉輸出。這會(huì)打開放電晶體管，使電容器 (C) 緩慢放電。當(dāng)電容器上的電壓達(dá)到 1/3 參考電壓 (D) 時(shí)，較低（觸發(fā)）比較器打開，設(shè)置觸發(fā)器和輸出，循環(huán)重復(fù)。電阻器和電容器的值控制時(shí)間，從微秒到幾小時(shí)。

顯示 555 定時(shí)器如何作為振蕩器工作的圖表。在 555 定時(shí)器的控制下，外部電容器通過外部電阻器進(jìn)行充電和放電。

總而言之，555 定時(shí)器的關(guān)鍵組件是檢測(cè)電壓上限和下限的比較器、設(shè)置這些限制的三電阻分壓器以及跟蹤電路是充電還是放電的觸發(fā)器。555 定時(shí)器還有兩個(gè)我上面沒有提到的引腳（復(fù)位和控制電壓），它們可用于更復(fù)雜的電路。簡(jiǎn)要說明從顯微鏡圖像的合成中創(chuàng)建了下面的照片。在硅的頂部，一層薄薄的金屬連接芯片的不同部分。這種金屬在照片中以淺色痕跡清晰可見。在金屬下方，一層薄薄的玻璃狀二氧化硅層在金屬和硅之間提供絕緣，除了二氧化硅中的接觸孔允許金屬連接到硅的地方。在芯片的邊緣，細(xì)線將金屬焊盤連接到芯片的外部引腳。

555 計(jì)時(shí)器的模具照片

芯片上不同類型的硅更難看到。芯片的區(qū)域用雜質(zhì)處理（摻雜）以改變硅的電特性。N 型硅具有過量的電子（負(fù)），而 P 型硅缺乏電子（正）。在照片中，這些區(qū)域顯示為略有不同的顏色，周圍有細(xì)黑色邊框。這些區(qū)域是芯片的組成部分，形成晶體管和電阻器。在windows中，大家修改完hosts之后，直接保存不了，保存的時(shí)候先另存在桌面，再拖進(jìn)去覆蓋即可!

IC內(nèi)部的NPN晶體管

晶體管是芯片中的關(guān)鍵元件。555 定時(shí)器使用 NPN 和 PNP 雙極晶體管。如果您研究過電子學(xué)，您可能已經(jīng)看過如下圖所示的 NPN 晶體管圖，顯示了晶體管的集電極 (C)、基極 (B) 和****極 (E)，晶體管被圖示為P硅夾在兩個(gè)對(duì)稱的N硅層之間，NPN 層構(gòu)成 NPN 晶體管。事實(shí)證明，芯片上的晶體管看起來不像這樣，而且基極通常甚至不在中間！

NPN 晶體管的原理圖符號(hào)，以及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化圖

下面的照片顯示了 555 中的一個(gè)晶體管的特寫，因?yàn)樗霈F(xiàn)在芯片上。硅中稍有不同的色調(diào)表明已摻雜形成 N 和 P 區(qū)域的區(qū)域。白色區(qū)域是硅頂部芯片的金屬層 - 這些形成連接到集電極、****極和基極的導(dǎo)線。

裸片上 NPN 晶體管的結(jié)構(gòu)。

照片下方是一個(gè)橫截面圖，說明了晶體管的構(gòu)造方式。除了你在書中看到的 NPN 之外，還有很多其他東西，但如果你仔細(xì)觀察“E”下方的垂直橫截面，你會(huì)發(fā)現(xiàn)形成晶體管的 NPN。****極 (E) 線連接到 N+ 硅。其下方是連接到基極觸點(diǎn) (B) 的 P 層。在其下方是（間接）連接到收集器（C）的 N+ 層。6 晶體管被 P+ 環(huán)包圍，將其與相鄰組件隔離。

IC內(nèi)部的PNP晶體管

電阻器是如何在硅中實(shí)現(xiàn)的電阻器是模擬芯片的關(guān)鍵部件。不幸的是，IC 中的電阻器很大且不準(zhǔn)確。不同芯片的電阻可能相差 50%。因此，模擬 IC 的設(shè)計(jì)只有電阻的比率很重要，而不是絕對(duì)值，因?yàn)楸嚷蕩缀醣３植蛔儭?/span>

555定時(shí)器內(nèi)部的電阻。電阻器是兩個(gè)金屬觸點(diǎn)之間的一條 P 硅。

上面的照片顯示了 555 中的一個(gè) 10KΩ 電阻器，它由一條 P 硅（粉灰色）形成，在兩端與金屬線接觸。其他金屬線穿過電阻器。電阻器具有螺旋形狀，以使其長(zhǎng)度適合可用空間。下面的電阻是一個(gè) 100KΩ 的夾點(diǎn)電阻。夾層電阻器頂部的 N 硅層使導(dǎo)電區(qū)域更?。磰A住它），形成更高但不太準(zhǔn)確的電阻。IC元件：電流鏡有一些子電路在模擬 IC 中很常見，但起初可能看起來很神秘。電流鏡就是其中之一。如果您看過模擬 IC 框圖，您可能已經(jīng)看到下面的符號(hào)，指示電流源，并想知道電流源是什么以及為什么要使用它。這個(gè)想法是你從一個(gè)已知的電流開始，然后你可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的晶體管電路，電流鏡“克隆”電流的多個(gè)副本。

電流鏡電路。右邊的電流復(fù)制左邊的電流。

電流鏡的一個(gè)常見用途是替換電阻器。如前所述，IC 內(nèi)部的電阻器既大又不準(zhǔn)確，不便之處。盡可能使用電流鏡而不是電阻器來節(jié)省空間。此外，與兩個(gè)電阻器產(chǎn)生的電流不同，電流鏡產(chǎn)生的電流幾乎相同。

電流鏡。它們都共享相同的基極，兩個(gè)晶體管共享****極。

IC元件：差分對(duì)

要了解的第二個(gè)重要電路是差分對(duì)，它是模擬 IC 中最常見的雙晶體管子電路。 您可能想知道比較器如何比較兩個(gè)電壓，或者運(yùn)算放大器如何減去兩個(gè)電壓。這是差分對(duì)的工作。

電流源通過差分對(duì)發(fā)送固定電流 I

上面的示意圖顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的差分對(duì)。底部的電流源提供固定電流 I，該電流在兩個(gè)輸入晶體管之間分配。如果輸入電壓相等，則電流將平均分成兩個(gè)分支（I1 和 I2）。如果其中一個(gè)輸入電壓比另一個(gè)高一點(diǎn)，則相應(yīng)的晶體管會(huì)以指數(shù)方式傳導(dǎo)更多的電流，因此一個(gè)分支獲得更多電流，而另一個(gè)分支獲得更少。一個(gè)小的輸入差異足以將大部分電流引導(dǎo)到“獲勝”分支，從而打開或關(guān)閉比較器。555 芯片使用一個(gè)差分對(duì)作為閾值比較器，另一對(duì)作為觸發(fā)比較器。

555原理圖

下面的 555 模具照片和原理圖是交互式的。點(diǎn)擊原理圖中的元件，會(huì)顯示元件的簡(jiǎn)要說明?？焖俑庞[一下，大輸出晶體管和放電晶體管是裸片上最明顯的特征。閾值比較器由 Q1 到 Q8 組成。觸發(fā)比較器由 Q10 到 Q13 以及電流鏡 Q9 組成。Q16 和 Q17 構(gòu)成觸發(fā)器。構(gòu)成分壓器的三個(gè) 5KΩ 電阻位于芯片中間。傳說 555 是以這三個(gè) 5K 電阻命名的，但根據(jù)其設(shè)計(jì)者的說法， 555 只是 500 芯片系列中的任意數(shù)字。