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。通过仔细地研究模型，我们将理解它的工作原理。

集成电路的结构

下面的是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? （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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