硅芯片拆解：早期555定時器芯片內部一覽

芯片之家 2022-06-13 12:15

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作者：Ken Shirriff，排版：曉宇

微信公眾號：芯片之家（ID：chiphome-dy）

555定時器

如果你玩過電子電路，你大概率是知道 555 定時器集成電路的，據說是世界上最暢銷的集成電路，已售出數十億。由模擬 IC 奇才 Hans Camenzind 設計的 555 被稱為有史以來最偉大的芯片之一。

一個帶有 Signetics 標志的 8 針 555 定時器。它沒有 555 標簽，而是標有“52B 01003”和 7304 日期代碼，表示 1973 年的第 4 周。

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

555 定時器的封裝被打磨，露出硅芯片，中間的小方塊。

簡要說明

555 定時器有數百種應用，從定時器或鎖存器到壓控振蕩器或調制器的任何操作。下圖說明了 555 定時器如何作為一個簡單的振蕩器工作。在 555 芯片內部，三個電阻形成一個分壓器，產生 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，從而產生振蕩。更詳細地說，電容器將通過外部電阻器緩慢充電 (A)，直到其電壓達到 2/3 參考電壓。在該點 (B)，上（閾值）比較器關閉觸發器并關閉輸出。這會打開放電晶體管，使電容器 (C) 緩慢放電。當電容器上的電壓達到 1/3 參考電壓 (D) 時，較低（觸發）比較器打開，設置觸發器和輸出，循環重復。電阻器和電容器的值控制時間，從微秒到幾小時。

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

總而言之，555 定時器的關鍵組件是檢測電壓上限和下限的比較器、設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器。555 定時器還有兩個我上面沒有提到的引腳（復位和控制電壓），它們可用于更復雜的電路。

簡要說明

從顯微鏡圖像的合成中創建了下面的照片。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，細線將金屬焊盤連接到芯片的外部引腳。

555 計時器的模具照片

芯片上不同類型的硅更難看到。芯片的區域用雜質處理（摻雜）以改變硅的電特性。N 型硅具有過量的電子（負），而 P 型硅缺乏電子（正）。在照片中，這些區域顯示為略有不同的顏色，周圍有細黑色邊框。這些區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，保存的時候先另存在桌面，再拖進去覆蓋即可!

IC內部的NPN晶體管

晶體管是芯片中的關鍵元件。555 定時器使用 NPN 和 PNP 雙極晶體管。如果您研究過電子學，您可能已經看過如下圖所示的 NPN 晶體管圖，顯示了晶體管的集電極 (C)、基極 (B) 和發射極 (E)，晶體管被圖示為P硅夾在兩個對稱的N硅層之間，NPN 層構成 NPN 晶體管。事實證明，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，以及其內部結構的簡化圖

下面的照片顯示了 555 中的一個晶體管的特寫，因為它出現在芯片上。硅中稍有不同的色調表明已摻雜形成 N 和 P 區域的區域。白色區域是硅頂部芯片的金屬層 - 這些形成連接到集電極、發射極和基極的導線。

裸片上 NPN 晶體管的結構。

照片下方是一個橫截面圖，說明了晶體管的構造方式。除了你在書中看到的 NPN 之外，還有很多其他東西，但如果你仔細觀察“E”下方的垂直橫截面，你會發現形成晶體管的 NPN。發射極 (E) 線連接到 N+ 硅。其下方是連接到基極觸點 (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+ 環包圍，將其與相鄰組件隔離。

IC內部的PNP晶體管

電阻器是如何在硅中實現的

電阻器是模擬芯片的關鍵部件。不幸的是，IC 中的電阻器很大且不準確。不同芯片的電阻可能相差 50%。因此，模擬 IC 的設計只有電阻的比率很重要，而不是絕對值，因為比率幾乎保持不變。

555定時器內部的電阻。電阻器是兩個金屬觸點之間的一條 P 硅。

上面的照片顯示了 555 中的一個 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，以使其長度適合可用空間。下面的電阻是一個 100KΩ 的夾點電阻。夾層電阻器頂部的 N 硅層使導電區域更薄（即夾住它），形成更高但不太準確的電阻。

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，您可能已經看到下面的符號，指示電流源，并想知道電流源是什么以及為什么要使用它。這個想法是你從一個已知的電流開始，然后你可以用一個簡單的晶體管電路，電流鏡“克隆”電流的多個副本。

電流鏡電路。右邊的電流復制左邊的電流。

電流鏡的一個常見用途是替換電阻器。如前所述，IC 內部的電阻器既大又不準確，不便之處。盡可能使用電流鏡而不是電阻器來節省空間。此外，與兩個電阻器產生的電流不同，電流鏡產生的電流幾乎相同。

電流鏡。它們都共享相同的基極，兩個晶體管共享發射極。

IC元件：差分對

要了解的第二個重要電路是差分對，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電壓，或者運算放大器如何減去兩個電壓。這是差分對的工作。

電流源通過差分對發送固定電流 I

上面的示意圖顯示了一個簡單的差分對。底部的電流源提供固定電流 I，該電流在兩個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分支（I1 和 I2）。如果其中一個輸入電壓比另一個高一點，則相應的晶體管會以指數方式傳導更多的電流，因此一個分支獲得更多電流，而另一個分支獲得更少。一個小的輸入差異足以將大部分電流引導到“獲勝”分支，從而打開或關閉比較器。555 芯片使用一個差分對作為閾值比較器，另一對作為觸發比較器。

555原理圖

下面的 555 模具照片和原理圖?是交互式的。點擊原理圖中的元件，會顯示元件的簡要說明。快速概覽一下，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。觸發比較器由 Q10 到 Q13 以及電流鏡 Q9 組成。Q16 和 Q17 構成觸發器。構成分壓器的三個 5KΩ 電阻位于芯片中間。?傳說 555 是以這三個 5K 電阻命名的，但?根據其設計者的說法， 555 只是 500 芯片系列中的任意數字。