拆解555定时器：早期硅芯片内部一览+原理图

555定时器

如果你玩过电子威廉希尔官方网站 ，你大概率是知道 555 定时器集成威廉希尔官方网站 的，据说是世界上最畅销的集成威廉希尔官方网站 ，已售出数十亿。由模拟 IC 奇才 Hans Camenzind 设计的 555 被称为有史以来最伟大的芯片之一。

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

乏味地打磨环氧树脂封装以露出芯片（下图），并确定芯片是 555 定时器。Signetics 在 1972 年年中发布了 555 定时器，下面的芯片有一个 1973 年 1 月的日期代码（7304），所以它一定是最早的 555 定时器之一。奇怪的是，它没有标为 555，所以它可能是原型或内部版本。我拍摄了详细的模具照片，在这篇博文中进行了讨论。

555 定时器的封装被打磨，露出硅芯片，中间的小方块。

简要说明

555 定时器有数百种应用，从定时器或锁存器到压控振荡器或调制器的任何操作。下图说明了 555 定时器如何作为一个简单的振荡器工作。在 555 芯片内部，三个电阻形成一个分压器，产生 1/3 和 2/3 的电源电压的参考电压。外部电容器将在这些限制之间充电和放电，从而产生振荡。更详细地说，电容器将通过外部电阻器缓慢充电 (A)，直到其电压达到 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。这会打开放电晶体管，使电容器 (C) 缓慢放电。当电容器上的电压达到 1/3 参考电压 (D) 时，较低（触发）比较器打开，设置触发器和输出，循环重复。电阻器和电容器的值控制时间，从微秒到几小时。

显示 555 定时器如何作为振荡器工作的图表。在 555 定时器的控制下，外部电容器通过外部电阻器进行充电和放电。

总而言之，555 定时器的关键组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以及跟踪威廉希尔官方网站 是充电还是放电的触发器。555 定时器还有两个我上面没有提到的引脚（复位和控制电压），它们可用于更复杂的威廉希尔官方网站 。

简要说明

从显微镜图像的合成中创建了下面的照片。在硅的顶部，一层薄薄的金属连接芯片的不同部分。这种金属在照片中以浅色痕迹清晰可见。在金属下方，一层薄薄的玻璃状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的地方。在芯片的边缘，细线将金属焊盘连接到芯片的外部引脚。

555 计时器的模具照片

芯片上不同类型的硅更难看到。芯片的区域用杂质处理（掺杂）以改变硅的电特性。N 型硅具有过量的电子（负），而 P 型硅缺乏电子（正）。在照片中，这些区域显示为略有不同的颜色，周围有细黑色边框。这些区域是芯片的组成部分，形成晶体管和电阻器。在windows中，保存的时候先另存在桌面，再拖进去覆盖即可!

IC内部的NPN晶体管

晶体管是芯片中的关键元件。555 定时器使用 NPN 和 PNP 双极晶体管。如果您研究过电子学，您可能已经看过如下图所示的 NPN 晶体管图，显示了晶体管的集电极 (C)、基极 (B) 和发射极 (E)，晶体管被图示为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，而且基极通常甚至不在中间！

NPN 晶体管的原理图符号，以及其内部结构的简化图

下面的照片显示了 555 中的一个晶体管的特写，因为它出现在芯片上。硅中稍有不同的色调表明已掺杂形成 N 和 P 区域的区域。白色区域是硅顶部芯片的金属层 - 这些形成连接到集电极、发射极和基极的导线。

裸片上 NPN 晶体管的结构。

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 之外，还有很多其他东西，但如果你仔细观察“E”下方的垂直横截面，你会发现形成晶体管的 NPN。发射极 (E) 线连接到 N+ 硅。其下方是连接到基极触点 (B) 的 P 层。在其下方是（间接）连接到收集器（C）的 N+ 层。6 晶体管被 P+ 环包围，将其与相邻组件隔离。

IC内部的PNP晶体管

电阻器是如何在硅中实现的

电阻器是模拟芯片的关键部件。不幸的是，IC 中的电阻器很大且不准确。不同芯片的电阻可能相差 50%。因此，模拟 IC 的设计只有电阻的比率很重要，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条 P 硅。

上面的照片显示了 555 中的一个 10KΩ 电阻器，它由一条 P 硅（粉灰色）形成，在两端与金属线接触。其他金属线穿过电阻器。电阻器具有螺旋形状，以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（即夹住它），形成更高但不太准确的电阻。

IC元件：电流镜

有一些子威廉希尔官方网站 在模拟 IC 中很常见，但起初可能看起来很神秘。电流镜就是其中之一。如果您看过模拟 IC 框图，您可能已经看到下面的符号，指示电流源，并想知道电流源是什么以及为什么要使用它。这个想法是你从一个已知的电流开始，然后你可以用一个简单的晶体管威廉希尔官方网站 ，电流镜“克隆”电流的多个副本。

电流镜威廉希尔官方网站 。右边的电流复制左边的电流。

电流镜的一个常见用途是替换电阻器。如前所述，IC 内部的电阻器既大又不准确，不便之处。尽可能使用电流镜而不是电阻器来节省空间。此外，与两个电阻器产生的电流不同，电流镜产生的电流几乎相同。

电流镜。它们都共享相同的基极，两个晶体管共享发射极。

IC元件：差分对

要了解的第二个重要威廉希尔官方网站 是差分对，它是模拟 IC 中最常见的双晶体管子威廉希尔官方网站 。 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。

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审核编辑 ：李倩