硅芯片拆解：早期555定时器芯片内部一览

芯片之家 2022-06-13 12:15

如何增强能源基础设施的实时控制？ 您在使用示波器时面临的最大挑战是什么？

作者：Ken Shirriff，排版：晓宇

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555定时器

如果你玩过电子电路，你大概率是知道 555 定时器集成电路的，据说是世界上最畅销的集成电路，已售出数十亿。由模拟 IC 奇才 Hans Camenzind 设计的 555 被称为有史以来最伟大的芯片之一。

一个带有 Signetics 标志的 8 针 555 定时器。它没有 555 标签，而是标有“52B 01003”和 7304 日期代码，表示 1973 年的第 4 周。

乏味地打磨环氧树脂封装以露出芯片（下图），并确定芯片是 555 定时器。Signetics 在 1972 年年中发布了 555 定时器，下面的芯片有一个 1973 年 1 月的日期代码（7304），所以它一定是最早的 555 定时器之一。奇怪的是，它没有标为 555，所以它可能是原型或内部版本。我拍摄了详细的模具照片，在这篇博文中进行了讨论。

555 定时器的封装被打磨，露出硅芯片，中间的小方块。

简要说明

555 定时器有数百种应用，从定时器或锁存器到压控振荡器或调制器的任何操作。下图说明了 555 定时器如何作为一个简单的振荡器工作。在 555 芯片内部，三个电阻形成一个分压器，产生 1/3 和 2/3 的电源电压的参考电压。外部电容器将在这些限制之间充电和放电，从而产生振荡。更详细地说，电容器将通过外部电阻器缓慢充电 (A)，直到其电压达到 2/3 参考电压。在该点 (B)，上（阈值）比较器关闭触发器并关闭输出。这会打开放电晶体管，使电容器 (C) 缓慢放电。当电容器上的电压达到 1/3 参考电压 (D) 时，较低（触发）比较器打开，设置触发器和输出，循环重复。电阻器和电容器的值控制时间，从微秒到几小时。

显示 555 定时器如何作为振荡器工作的图表。在 555 定时器的控制下，外部电容器通过外部电阻器进行充电和放电。

总而言之，555 定时器的关键组件是检测电压上限和下限的比较器、设置这些限制的三电阻分压器以及跟踪电路是充电还是放电的触发器。555 定时器还有两个我上面没有提到的引脚（复位和控制电压），它们可用于更复杂的电路。

简要说明

从显微镜图像的合成中创建了下面的照片。在硅的顶部，一层薄薄的金属连接芯片的不同部分。这种金属在照片中以浅色痕迹清晰可见。在金属下方，一层薄薄的玻璃状二氧化硅层在金属和硅之间提供绝缘，除了二氧化硅中的接触孔允许金属连接到硅的地方。在芯片的边缘，细线将金属焊盘连接到芯片的外部引脚。

555 计时器的模具照片

芯片上不同类型的硅更难看到。芯片的区域用杂质处理（掺杂）以改变硅的电特性。N 型硅具有过量的电子（负），而 P 型硅缺乏电子（正）。在照片中，这些区域显示为略有不同的颜色，周围有细黑色边框。这些区域是芯片的组成部分，形成晶体管和电阻器。在windows中，大家修改完hosts之后，直接保存不了，保存的时候先另存在桌面，再拖进去覆盖即可!

IC内部的NPN晶体管

晶体管是芯片中的关键元件。555 定时器使用 NPN 和 PNP 双极晶体管。如果您研究过电子学，您可能已经看过如下图所示的 NPN 晶体管图，显示了晶体管的集电极 (C)、基极 (B) 和发射极 (E)，晶体管被图示为P硅夹在两个对称的N硅层之间，NPN 层构成 NPN 晶体管。事实证明，芯片上的晶体管看起来不像这样，而且基极通常甚至不在中间！

NPN 晶体管的原理图符号，以及其内部结构的简化图

下面的照片显示了 555 中的一个晶体管的特写，因为它出现在芯片上。硅中稍有不同的色调表明已掺杂形成 N 和 P 区域的区域。白色区域是硅顶部芯片的金属层 - 这些形成连接到集电极、发射极和基极的导线。

裸片上 NPN 晶体管的结构。

照片下方是一个横截面图，说明了晶体管的构造方式。除了你在书中看到的 NPN 之外，还有很多其他东西，但如果你仔细观察“E”下方的垂直横截面，你会发现形成晶体管的 NPN。发射极 (E) 线连接到 N+ 硅。其下方是连接到基极触点 (B) 的 P 层。在其下方是（间接）连接到收集器（C）的 N+ 层。6 晶体管被 P+ 环包围，将其与相邻组件隔离。

IC内部的PNP晶体管

电阻器是如何在硅中实现的

电阻器是模拟芯片的关键部件。不幸的是，IC 中的电阻器很大且不准确。不同芯片的电阻可能相差 50%。因此，模拟 IC 的设计只有电阻的比率很重要，而不是绝对值，因为比率几乎保持不变。

555定时器内部的电阻。电阻器是两个金属触点之间的一条 P 硅。

上面的照片显示了 555 中的一个 10KΩ 电阻器，它由一条 P 硅（粉灰色）形成，在两端与金属线接触。其他金属线穿过电阻器。电阻器具有螺旋形状，以使其长度适合可用空间。下面的电阻是一个 100KΩ 的夹点电阻。夹层电阻器顶部的 N 硅层使导电区域更薄（即夹住它），形成更高但不太准确的电阻。

IC元件：电流镜

有一些子电路在模拟 IC 中很常见，但起初可能看起来很神秘。电流镜就是其中之一。如果您看过模拟 IC 框图，您可能已经看到下面的符号，指示电流源，并想知道电流源是什么以及为什么要使用它。这个想法是你从一个已知的电流开始，然后你可以用一个简单的晶体管电路，电流镜“克隆”电流的多个副本。

电流镜电路。右边的电流复制左边的电流。

电流镜的一个常见用途是替换电阻器。如前所述，IC 内部的电阻器既大又不准确，不便之处。尽可能使用电流镜而不是电阻器来节省空间。此外，与两个电阻器产生的电流不同，电流镜产生的电流几乎相同。

电流镜。它们都共享相同的基极，两个晶体管共享发射极。

IC元件：差分对

要了解的第二个重要电路是差分对，它是模拟 IC 中最常见的双晶体管子电路。 您可能想知道比较器如何比较两个电压，或者运算放大器如何减去两个电压。这是差分对的工作。

电流源通过差分对发送固定电流 I

上面的示意图显示了一个简单的差分对。底部的电流源提供固定电流 I，该电流在两个输入晶体管之间分配。如果输入电压相等，则电流将平均分成两个分支（I1 和 I2）。如果其中一个输入电压比另一个高一点，则相应的晶体管会以指数方式传导更多的电流，因此一个分支获得更多电流，而另一个分支获得更少。一个小的输入差异足以将大部分电流引导到“获胜”分支，从而打开或关闭比较器。555 芯片使用一个差分对作为阈值比较器，另一对作为触发比较器。

555原理图

下面的 555 模具照片和原理图是交互式的。点击原理图中的元件，会显示元件的简要说明。快速概览一下，大输出晶体管和放电晶体管是裸片上最明显的特征。阈值比较器由 Q1 到 Q8 组成。触发比较器由 Q10 到 Q13 以及电流镜 Q9 组成。Q16 和 Q17 构成触发器。构成分压器的三个 5KΩ 电阻位于芯片中间。传说 555 是以这三个 5K 电阻命名的，但根据其设计者的说法， 555 只是 500 芯片系列中的任意数字。