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逆向常用555定时器芯片封装(CMOS工艺)

背景知识:一定的电子学基础

这篇文章介绍 LMC555 定时器芯片是如何工作的,从芯片上微小的晶体管和电阻到构成其的功能单元如比较器和镜像电流源。广泛使用的 555 时基集成电路被认为是世界上卖地最好的集成电路,自从 1970 年模拟电路大师Hans Camenzind 设计出该款芯片,自今已经售出数十亿片。LMC555 是一款低功率 CMOS 工艺 555芯片。不像传统的双极型三极管,CMOS 芯片是由低功耗 MOS 管构成的。通过仔细地研究图片模型,我们将理解它的工作原理。

集成电路的结构

下面的图片是 LMC555 的硅基模型在显微镜下观察得到的,主要功能单元均已标记(来自Zeptobars的照片)。模型非常小,仅仅 1mm见方。其中黑色的大圈是芯片与外部引脚的连接部分。一层薄金属层将芯片的各个部分连接在一起。在图中,金属就是那些清晰可见的白色线条和区域。芯片上不同的部分被标记不一样的颜色。芯片的不同部件是通过向硅基中掺入不同的杂质来改变其特性而制成得。N型半导体具有过量的电子(使其为负),而P型半导体缺乏电子(使其为正)。硅基顶部不同颜色标记的是多晶硅线路。硅片和多晶硅是芯片的主体部分,其上是各种由金属层连在一起的晶体管和电阻。

LMC555 各个功能块

555 定时器的简要说明

555 芯片是极其多用途的芯片,有着多达数百的不同应用包括时基计时或是开关以及电压控制的振荡器和调节器。我将通过最简单的电路振荡器——以一个固定的频率循环往复的电路,来解释芯片的功能。

用下面的图来说明555芯片用作振荡器的内部运作。外部连接的电容将不断地充电、放电从而产生振荡。在芯片内部,三个电阻构成分压器产生相对供电电压的1/3和2/3的参考电压。外电容将在该范围内充、放电,进而产生振荡,如左边的图片所示。更为详细的是:电容器将通过外部电阻器缓慢充电(A段),直到其电压达到2/3参考值,在B点,阈值(上)比较器切换触发器关闭输出,这将打开输出晶体管,致使放电晶体管导通使电容缓慢放电。当电容电压达到1/3参考电压(D点)时,触发下比较器连通,同时使触发器和输出处于通路,如此循环往复。电阻和电容的值决定计时(即周期),从微秒到数小时。

555 振荡器工作原理

总的来说,555时基电路的关键部件是检测电压上下界的比较器,设置该界限的分压器,记录充放电状态的触发器以及放电晶体管。555时基电路还有2个上面尚未提及的针脚(置位和电压控制端),它们是用于其他更复杂电路的。

IC内的晶体管

像大多数集成电路一样,CMOS 555定时器芯片由两种类型的晶体管PMOS和NMOS构成。相比之下,经典的555定时器使用了旧技术的双极型晶体管(NPN管和PNP管)。CMOS使用地非常广泛,因为它的功率远低于双极型晶体管。CMOS晶体管可以非常密集地集成在芯片中,不会过热,这就是为什么CMOS自20世纪80年代以来就统治了微处理器市场。尽管555不需要很多晶体管,但是低功耗仍然是一个优势。

下图显示了芯片中的 NMOS 晶体管,其截面如下。由于晶体管是由重叠层构成的,因此模型图有点难以理解,但横截面应该有助于说明。硅片的不同颜色表示已被掺杂以形成N和P区的区域。绿色矩形--硅上方的一层是多晶硅。白色的矩形是顶部的金属层。电极是层之间的连接部分。

LMC5555 CMOS 定时芯片中的 NMOS 晶体管的结构

MOS 晶体管可以被认为是基于栅极上的电压来连接或断开源极和漏极的开关。晶体管由已经掺杂为负极(N)的两个矩形的硅带组成,嵌入在下面的P型硅基中。栅极由漏极与源极之间的部分和其表面的导电多晶硅层组成。栅极通过非常薄的绝缘氧化物层与下面的硅分离。如果在栅极加上电压,则会产生电场,该电场会改变栅极之下的硅半导体的特质,从而形成电流导通层。照片还显示出金属层连接到源极,以及“电极”,其穿过绝缘氧化物将硅层连接到金属层。

第二种晶体管是PMOS,如下所示。PMOS晶体管在许多方面与NMOS相反;因此它们被称为互补MOS管,就是CMOS中的Ç(互补)。PMOS管由嵌入在N型硅基中的P掺杂硅的源极和漏极构成。当晶体管栅极上为低电压时(与NMOS高电压相反)导通,导致电流从源极流到漏极。连接源极、栅极和漏极的金属层下面清晰可见,其上有通到底层的圆形通孔。(请注意,右侧的图不是横截面,而是简化的“俯视图”。)在芯片模型图片中,NMOS晶体管为蓝色,栅极为绿色,PMOS晶体管为橙色,栅极为粉色。

LMC555 CMOS定时芯片中的NMOS晶体管的结构,右侧为简化模型

555 中的输出晶体管远远大于其他晶体管,并且具有不同的结构以产生高电流输出。下面的照片显示了一个输出晶体管。注意到源极(外侧)和漏极(中心)之间栅极的Z字形结构。还可以看到,漏极的金属层在右边是窄的,并且随着它离开晶体管而变宽,以便承载逐渐增加的电流。

LMC555 CMOS定时芯片中的大型NMOS输出晶体管

各种符号用于在原理图中表示MOS晶体管;下图显示了其中的一些。在本文中,我使用的是突出显示的那一组。

用于MOS晶体管的各种符号

如何在硅中实现电阻

电阻是模拟电路的关键部件。不过,IC 中的电阻很大,且不准确;在两片相同的芯片中,对应的电阻的阻值可能相差50%。因此,模拟 IC 中,考虑的电阻的相对比例而不是绝对值。这样设计,即使该阻值随制造条件而变化,这些比率也几乎保持恒定。

组成CMOS定时器中分压器的电阻

上图显示了在芯片中组成分压器的电阻。有六个 50kΩ 电阻串联连接形成三个 100kΩ 电阻。电阻是浅白色的垂直矩形。在每个电阻器的末端,通孔和 P +硅阱(粉红色方形)将电阻器连接到金属层,进而将它们连接在一起。电阻本身可能是 P 掺杂硅。

为了减小电流,CMOS 芯片使用 100kΩ 电阻,远大于双极型 555 定时器中的 5kΩ 电阻。据说,555 芯片是以这三个 5K 电阻命名的,但其设计师却说 555 只是 500 芯片系列中的任意数字。

IC组件:镜像电流源

在模拟 IC 中有一些非常常见的子电路,但是咋一看似乎很神秘。镜像电流源便是其中之一。如果你看过模拟 IC 框图,你可能已经见到过下面的表示镜像电流源的符号了,并想知道镜像电流源是什么,以及为什么要使用它们。

镜像电流源符号

镜像电流源的想法是如果有一个已知的电流,然后可以使用简单的晶体管电路“克隆”多个电流副本。镜像电流源的常见用途是代替电阻。如前所述,IC 内不容易制造大电阻,且不准确。使用镜像电流源还可以尽可能节省空间。此外,镜像电流源产生的电流几乎完全一样,而不像两个电阻产生的电流存在较大差异。

下面的电路将会解释如何用三个相同的晶体管实现镜像电流源。参考电流流经右侧的晶体管。(在这种情况下,电流由电阻设定)由于所有的晶体管都具有相同的发射极电压和基极电压,所以它们将产生相同的电流,因此左侧的电流与右侧的参考电流相匹配。为了获得更大的灵活性,可以修改镜像电流源中晶体管的相对尺寸,使镜像电流大于或小于参考电流。CMOS 555芯片使用各种晶体管尺寸来控制电路中的电流。

由 PMOS 晶体管组成的镜像电流源,左侧两个晶体管镜像右侧由电阻控制的电流

下图显的是 LMC555 芯片中的一个镜像电流源,由两个晶体管组成。每个晶体管实际上是并联的两个晶体管,这是芯片中的常见技巧,所以物理上来看有两对晶体管。要看到晶体管有点困难,因为金属层覆盖其中的一部分,但希望这个描述是有意义的。从顶部开始,第一个晶体管所在的宽矩形构成了源极,栅极1和漏极1。注意将金属层连接到源极的通孔。下一个晶体管共享漏极1,接下来是第二个栅极1和源极。由于这两个晶体管共享漏极,并且源极和栅极相互连接,所以两个晶体管有效地形成一个较大的晶体管。同样地,接下来的是并联de两个晶体管:源极,栅极2,漏极2。

LMC555 芯片中的两对 PMOS 晶体管形成镜像电流源

右侧的原理图显示了如何将晶体管连接在一起作为镜像电流源。如果仔细看左侧照片,可以看到单个多晶硅条带蛇形地来回形成所有的栅极,所以栅极是连接在一起的。在右侧,上部金属条将漏极1和栅极连接到电路的其余部分。下部金属条连接漏极2。

IC组件:差分放大电路

要了解的第二个重要电路是差分放大电路,模拟IC中最常用的双晶体管子电路。你可能想知道一个比较器如何比较两个电压,或运算放大器如何做两个电压相减。这些就是差分放大电路的功能。

差分放大电路的简单示意图

以上示意图显示了一个简单的差分放大电路。底部的电流源提供固定负电流I,其在两个输入晶体管之间分开。如果输入电压相等,电流将分成两个相等的支路(I和I)。如果其中一个输入电压比另一个高,相应的晶体管将导通更多的电流,所以一个支路获得更多的电流,另一个支路变得更小。小的输入差异足以将大部分电流引导到“获胜”支路,从而使比较器打开或关闭。芯片在两个支路上使用镜像电流源而不是电阻,其充当有源负载并增加放大倍数。

反相器和触发器

虽然 555 是模拟电路,但它包含一个数字触发器来记住它的状态。触发器由反相器(简单的逻辑电路将1变为0,反之亦然)构成。555 使用标准 CMOS 反相器,如下图所示。

CMOS 反相器的结构:顶部的 PMOS 晶体管和底部的 NMOS 晶体管

反相器由两个晶体管构成。如果输入为 0(即低电压),则顶部的PMOS晶体管导通,将正电源连接到输出端,产生1输出;如果输入为 1(高电压),则底部的NMOS 晶体管接通,连接地端,产生0输出。CMOS 的神奇之处是电路几乎没有能量消耗。电流不通过栅极(由于绝缘氧化物层),仅当输出改变状态时,唯一的功率消耗是微小的脉冲,以对导线形成的电容进行充电或放电。

下图显示的是触发器。两个反相器连接在一个回路中以形成锁存器。如果顶部反相器输出 1,则底部输出 0,形成稳定的循环。如果顶部反相器输出 0,则底部输出 1,如此形成稳定的循环。

LMC555 CMOS 定时芯片中触发器的电路图

要更改存储在触发器中的值,只需将新值强制写进入锁存器,即可用强力重写现有值。为此,底部的反相器是“弱”的,使用低电流晶体管。这允许置位端或复位端输入使弱反相器过压,并且锁存器将立即翻转到正确的状态。R(复位)和S(置位)输入来自比较器,并通过晶体管将锁存器输入为高或低。复位信号来自输入引脚,并通过二极管将锁存器输入高电平;复位反相器的输出电流由镜像电流源控制。复位将S拉低,阻止S端矛盾的输入。

CMOS 555 与传统双极型 555 对比

常用的 555 定时器是在 1970 年设计的,而 CMOS 工艺(ICM7555)直到 1978 年才发布。本文中描述的 LMC555 在 1988 年左右出现,而模型是的 1996 年。

下面的图像将同规模的经典的 555 定时器(左)与 CMOS LMC555(右)进行比较。虽然双极芯片由通过金属层连接的硅构成,但是 CMOS 芯片具有附加的多晶硅互连层,这使得芯片看起来上更加复杂。CMOS 芯片较小,并且在底部和右上方有很多未被使用的空间,因此可以做得更小。CMOS 晶体管比双极晶体管复杂得多。除了输出晶体管,双极型晶体管都是简单的独立单元。相比之下,大多数 CMOS 晶体管是由两个或更多个并联的晶体管构成的。经典 555 使用比 CMOS 555 更多的电阻,分别为16、4个。

模型照片:同规模的555定时器(左)和CMOS 555定时器(右)

可以从照片中看到 CMOS 芯片中的功能块较小。常规 555中的最小线为 10-15μm,而这在 CMOS 芯片中为 6μm。更高级的芯片在 1996 年采用350nm 工艺(约17倍),因此 LMC555 无处不在 CMOS 技术的尖端。

这些芯片相比较,反映出 CMOS 的功耗优势。标准 555 定时器通常使用 3 mA 电流,而此 CMOS 工艺的仅使用 100μA(其他类型的低于5μA)。555 的输入可以达到0.5μA,而 CMOS 版本的输入使用非常低的10pA,相差四个数量级。较小的输入“穿透”电流允许 CMOS 更长的延迟。

结论

起初,芯片的照片看起来太过复杂。但仔细看看 LMC555 CMOS 定时器芯片的模型可以看出构成电路的组件。可以把 PMOS 和 NMOS 分别拿出来管,了解它们的原理以及如何组合到电路中,并了解整个芯片的工作原理。由于 CMOS 芯片具有经典双极555芯片中不存在的多晶硅层,因此需要更多的努力来了解 CMOS 芯片。但从根本上说,两个芯片都使用类似的模拟功能块:镜像电流源和差分放大电路。如果你发现这个 CMOS 工艺的 555 芯片看起来很有趣,那么你还应该看看我的经典555芯片的拆卸。感谢Zeptobars的 CMOS 芯片的模型照片。

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马云为达摩院3年投入1000亿太多么?

今天云栖大会引起国人轰动的,是阿里CTO张建锋发布三年投1000亿进行基础科学和颠覆式技术创新研究的“达摩院”计划,达摩院由全球实验室、高校联合研究所及全球前沿创新研究计划组成,研究领域主要涉及量子计算和机器学习等,涵盖机器智能、智联网、金融科技等多个产业领域。
马云在演讲里则吐露心声说,“达摩院”将成为阿里巴巴留给世界最好的东西之一——即使有一天阿里巴巴不在了,“达摩院”还能继续存在。除了“达摩院”之外,另外两件最好的东西就是传承商业智慧的湖畔大学,还有公益基金会。

   今天新智元头条对阿里投1000亿成立达摩院、马云称达摩院将比阿里活得更长做深度报道,读者对达摩院的投资规模、名称与理念都感到无比好奇和震撼,所以头条发布才7个小时阅读数就过了10万+。今年新智元公众号阅读数过10万+这是第3次,可以说是轰动产业界的报道。
    细想马云这一年来的言与行,的确可以感受到他在考虑更长远的事。不仅是对自己生命的交代,而且也对阿里的企业基因延续做出重大战略部署。
    还记得他在深圳IT领袖峰会上掷地有声那一句“So TM What”, 其实就流露出要超越AlphaGo,迈入机器智能新境界的壮志。这次云栖大会的主题"飞天.智能”不仅围绕量子计算和人工智能等最前沿科技,还颇有佛教意味。飞天和达摩,代表着马云的世界观走入一个新境界。
    湖畔大学也好、公益基金也罢,总是关于现世的一种安妥,更注重人脉、经验、知识的聚集,利益社会。这是马云过去几年人生布局中的境界,更接近儒家的“仁”。
     而飞天智能、全球达摩院的思想与实践,贴近道家与佛家的哲学。马云真正想明白了——阿里巴巴不能仅仅是在网上卖百货,它必须给这个世界留下更多。马云说:如果只是挖空心思赚钱,阿里巴巴就是一家没有出息的公司。



   中金公司有一个数据表,阿里2016年的研发费用是138亿元,研发费用率为14%——比华为略低一个百分点,但跟百度是相同的。(百度2016年的研发费用是101亿元)而腾讯同期的研发费用为118亿元,研发费用率为8%。那么,今天达摩院的宣言,其实意味着阿里未来3年的研发费用将跃升到年均300亿元以上的规模,如果阿里真做相应投入的话,研发费用率会大幅提升到此前的一倍以上。而阿里的研发费用率则会高居全球主要AI科技公司的榜首——甚至会超过研发费用率27%的英伟达和研发费用率达21%的科大讯飞。有人会说,阿里这是疯了?其实即使阿里的研发费用每年倍增到300亿元以上,仍然与亚马逊和谷歌这类企业有差距,2016年亚马逊的研发费用支出是1094亿人民币,而谷歌和微软则分别达到948亿元和815亿元。阿里做为中国最有代表性的互联网公司,把研发费用提升到与国际巨头类似的水准,当然是向人工智能+技术升级的必然。即使这样,阿里的年均研发支出仍然比华为少一半(华为2016年研发费用是638亿元)。也就是说,让我们震撼的阿里达摩院,其实只是阿里回归到全球科技巨头应有的研发投入水平而已。我们应该震撼的是,为什么中国公司投这么少钱在研发上面却又还梦想领先全球科技。
   所以,今天马云的演讲会10万+,产业界今天亲眼目睹又一家中国互联网巨头走上“重度研发”的道路,大家知道百度已经从战略布局上All in AI。通过上面的表,我们可以清醒地看到在人工智能领域取得市场霸主地位例如像英伟达那样市值过千亿美元的全球领导企业,无不付出了相当大的代价——研发是重中之重。15%甚至20%以上的研发费用率实属正常,30%也不奇怪,来自中国的阿里毕竟要补课,而且,要追赶谷歌、亚马逊这样的公司,1000亿并不一定就够用。
   所以,马云为达摩院付出1000亿并不多,如果阿里的理想是成为伟大的科技公司,这其实是应有的代价。马云认识到金钱和时间,都是用于置换未来AI时代主导权的资源,不适时起跑,就会被竞争对手丢下。
   此外,达摩院的成立代表着马云的眼光已经从未来几年的财务报表,跳到阿里应该给世界留下什么美好的东西——这样究竟的课题。天不生仲尼,万古如长夜。自从儒家统治中国以后,中国文化传统重现世,重社会,重家族责任的特征一直烙印在社会的方方面面,企业追逐短期效益,投机心态等等都是由此而来。而对未知的异构世界、非人类的机器智能、对真理、对永恒自然规律的追寻一直欠缺,这恐怕是中国企业研发费用率低的深层基因。
   好在马云今天认识到挖空心思赚钱并不是阿里的使命,作为一家伟大的公司,应该把探索更美好的新世界作为自己的使命。并且就像谷歌和亚马逊这样的伟大公司一样,我们中国公司必须付出每年成千亿的研发费用,去承担对未来世界的责任,给未来留下我们最美好的东西。
   最美好的东西不是钱,而是对新世界的探索与担当。我想,这是今天达摩院获取10万+阅读的真正理由。我们中国人,中国企业,到了真正实践伟大、追求永恒的时候。

· 2019-07-22 09:07  本新闻来源自:FPGA之家,版权归原创方所有

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