逆向常用555定时器芯片（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

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