555 定時器如何作為振蕩器工作

由模擬 IC 奇才 Hans Camenzind 設(shè)計的 555 被稱為有史以來最偉大的芯片之一。據(jù)說是世界上最暢銷的集成電路，已售出數(shù)十億。

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一個帶有 Signetics 標(biāo)志的 8 針 555 定時器。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 定時器。Signetics 在 1972 年年中發(fā)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(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 定時器的封裝被打磨，露出硅芯片，中間的小方塊。

555 定時器有數(shù)百種應(yīng)用，從定時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 定時器如何作為一個簡單的振蕩器工作。在 555 芯片內(nèi)部，三個電阻形成一個分壓器，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 (B)，上（閾值）比較器關(guān)閉觸發(fā)器并關(guān)閉輸出。這會打開放電晶體管，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，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(jìn)行充電和放電。

總而言之，555 定時器的關(guān)鍵組件是檢測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 定時器還有兩個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。 ????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。

如上，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(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，保存的時候先另存在桌面，再拖進(jìn)去覆蓋即可!

晶體管是芯片中的關(guān)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(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) 和發(fā)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(gòu)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！

如上，NPN 晶體管的原理圖符號，以及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(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、發(fā)射極和基極的導(dǎo)線。

如上圖，裸片上 NPN 晶體管的結(jié)構(gòu)。

照片下方是一個橫截面圖，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，你會發(fā)現(xiàn)形成晶體管的 NPN。發(fā)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(huán)包圍，將其與相鄰組件隔離。

在IC內(nèi)部的PNP晶體管：

如上圖，555定時器芯片中的PNP晶體管。標(biāo)注了集電極(C)、發(fā)射極(E)和基極(B)的連接，以及N和P摻雜硅?；鶚O圍繞發(fā)射極形成一個環(huán)，集電極圍繞基極形成一個環(huán)。

555中的輸出晶體管比其他晶體管大得多，并且具有不同的結(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生高電流輸出。下面的照片顯示了輸出晶體管之一。注意被大集電極包圍的發(fā)射極和基極的多個互鎖“手指”。

如上圖，555定時器芯片中的大電流NPN輸出晶體管。集電極(C)、基極(B)和發(fā)射極(E)被標(biāo)記。 ????電阻器是如何在硅中實現(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。

如上，555定時器內(nèi)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(dǎo)電區(qū)域更?。磰A住它），形成更高但不太準(zhǔn)確的電阻。

555定時器內(nèi)部的收縮電阻器。電阻器是兩個金屬觸點之間的一條P硅。頂部的N層夾住電阻，增加電阻。垂直金屬線穿過該電阻器。

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，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。

如上圖，電流源的原理圖符號。

以下電路顯示了如何用兩個相同的晶體管實現(xiàn)電流鏡。參考電流流經(jīng)右側(cè)的晶體管。(在這種情況下，電流由電阻設(shè)定。)由于兩個晶體管具有相同的發(fā)射極電壓和基極電壓，它們產(chǎn)生相同的電流，因此右邊的電流與左邊的參考電流相匹配。

如上，電流鏡電路，右邊的電流復(fù)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(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，與兩個電阻器產(chǎn)生的電流不同，電流鏡產(chǎn)生的電流幾乎相同。

如上圖，三個晶體管在555定時器芯片中形成一個電流鏡。它們共用同一個基極，兩個晶體管共用發(fā)射極。

上述三個晶體管構(gòu)成一個具有兩個輸出的電流鏡。注意，三個晶體管共享基極連接，連接到右邊的集電極，右邊的發(fā)射極連接在一起。在原理圖中，右側(cè)的兩個晶體管被繪制為單個雙集電極晶體管Q19。

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(yùn)算放大器如何減去兩個電壓。這是差分對的工作。

如上，簡單差分對電路原理圖。電流源通過差分對發(fā)送固定電流I。如果兩個輸入相等，則電流均分。

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(yīng)的晶體管會以指數(shù)方式傳導(dǎo)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(dǎo)到“獲勝”分支，從而打開或關(guān)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(fā)比較器。

原文標(biāo)題：拆解:早期555定時器芯片

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