硅芯片拆解：早期 555 定时器芯片内部一览

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，你很可能知道 555 据说定时器集成电路是世界上最畅销的集成电路，已经售出数十亿。 IC 奇才 Hans Camenzind 设计的 555 被称为历史上最伟大的芯片之一。

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

将环氧树脂包装打磨无聊，露出芯片(下图)，确定芯片为 555 定时器。Signetics 在 1972 年中发布 555 定时器，下面的芯片有一个 1973 年 1 月的日期代码（7304），所以一定是最早的 555 定时器之一。奇怪的是，它没有标记 555，所以它可能是原型或内部版本。我拍了一张详细的模具照片，详细的模具照片。

555 定时器的包装被抛光，中间有硅芯片和小方块。

简要说明

555 从定时器或锁定器到压控振荡器或调制器的任何操作。下图说明了 555 定时器如何作为简单的振荡器工作？ 555 芯片内，三个电阻形成分压器，产生 1/3 和 2/3 电源电压参考电压。外部电容器在这些限制之间充放电，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。这将打开电晶管，使电容器 (C) 缓慢放电。当电容器上的电压达到时 1/3 参考电压 (D) 打开低(触发)比较器，设置触发器和输出，循环重复。从微秒到几个小时，电阻器和电容器的值控制时间。

显示 555 如何将定时器作为振荡器工作的图表。 555 在定时器的控制下，外部电容器通过外部电阻器充放电。

总而言之，555 定时器的关键部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和跟踪电路是充放电的触发器。 我上面没提到的定时器还有两个引脚(复位和控制电压)，可以用于更复杂的电路。

简要说明

以下照片是从显微镜图像的合成中创建的。在硅的顶部，一层薄薄的金属连接芯片的不同部分。这种金属在照片中清晰可见。在金属下方，一层薄薄的玻璃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。在芯片的边缘，细线将金属焊盘连接到芯片的外引脚。

555 模具照片的计时器

芯片上不同类型的硅更难看到。芯片区域采用杂质处理(掺杂)来改变硅的电特性。N 型硅电子(负)过多，而型硅电子(负)过多 P 型硅缺乏电子（正）。照片中，这些区域的颜色略有不同，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。在windows大家都修改了hosts之后，它不能直接保存。桌面先存在，再拖进去盖！

IC内部的NPN晶体管

晶体管是芯片中的关键部件。555 定时器使用 NPN 和 PNP 双极晶体管。如果你研究过电子学，你可能看过下图所示 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，基极通常甚至不在中间！

NPN 晶体管的原理图符号及其内部结构的简化图

下图显示 555 晶体管的特写镜头，因为它出现在芯片上。硅中略有不同的颜色表明它已经混合形成 N 和 P 区域。白色区域是硅顶芯片的金属层 - 这些导线与集电极、发射极和基极相连。

裸片上 NPN 晶体管结构。

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 除此之外，还有很多其他的果你仔细观察，E在下面的垂直横截面上，你会发现晶体管的形成 NPN。发射极 (E) 线连接到 N 硅。底部连接到基极触点 (B) 的 P 层。它的下部是(间接)连接到收集器（C）的 N 层。6晶体管被 P 将其与相邻组件隔离。

IC内部的PNP晶体管

如何在硅中实现电阻？

电阻器是模拟芯片的关键部件。不幸的是，IC 中间的电阻器又大又不准确。不同芯片的电阻可能不同 50%。因此，模拟 IC 设计只有电阻比率很重要，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个 P 硅。

上图显示 555 中的一个 10KΩ 电阻器，它由一条 P 硅(粉灰色)形成，两端接触金属线。其他金属线穿过电阻器。电阻器具有螺旋形状，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)，形成更高但不准确的电阻。

IC元件：电流镜

模拟中有一些子电路 IC 它很常见，但一开始可能看起来很神秘。电流镜就是其中之一。如果你看过模拟 IC 框图，您可能已经看到以下符号，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，你可以使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。右侧的电流复制左侧的电流。

电流镜的一个常见用途是更换电阻器。如前所述，IC 内部电阻既大又不准确，也不方便。尽量使用电流镜而不是电阻来节省空间。此外，与两个电阻产生的电流不同，电流镜产生的电流几乎相同。

电流镜。它们共享相同的基极，两个晶体管共享发射极。

strong>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。

Evil Mad Scientist 销售一款非常酷的 分立式 555 计时器套件，使用单独的晶体管和电阻器在更大范围内复制 555 电路——它实际上可以作为 555 的替代品。

文章来源：

http://www.righto.com/2022/01/silicon-die-teardown-look-inside-early.html

https://shop.evilmadscientist.com/productsmenu/tinykitlist/652

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