lm239芯片引脚功能(显微镜下观察LM185芯片内部结构)
lm239芯片引脚功能(显微镜下观察LM185芯片内部结构)
2024-11-25 07:13:05  作者:汏坏疍  网址:https://m.xinb2b.cn/know/gks339443.html

我是小七,今天给大家分享一款常见的电压基准芯片--LM185。(来源于 Ken Shirriff)。

许多电路,例如计算机电源或者手机充电器都需要稳定的电压基准,但是当温度变化时保持电压温度并不是一件容易的事情。

这个时候集成电路LM185就派上用场了,作者查看了这款芯片的裸片,发现一些有意思的事情。

相同的硅芯片用于三种不同的集成电路,使用微小的内部保险丝来改变其功能。

LM185 芯片使用称为带隙基准的特殊电路,即使温度发生变化,也能保持电压温定

这篇文章主要是关于 LM185 芯片的内部结构分析。

显微镜下的 LM158 芯片

下面的照片显示了显微镜下的 LM185 芯片,一个很小的硅方块。

底层的硅是蓝灰色的,而顶部的金属线是橙色的。硅的区域掺杂有各种杂质,以在芯片上形成晶体管、电阻器和其他器件,随着硅的轻微颜色变化,掺杂的变化是可见的,顶部是国家半导体的标志。


LM185 的复合模具照片

LM185 提供三种变体,LM185-ADJ 是可调电压基准。

总共有三个引脚:一个是控制电压的反馈引脚

LM185-1.2-N 是一个双引脚器件,称为“微功率电压基准二极管”,类似于提供 1.235V 的齐纳二极管,但性能更好(更低的功耗、更少的噪音和更好的稳定性。)

最后,LM185-2.5-N 提供了一个 2.5V 的基准电压。这三种变体基于相同的硅芯片。后两者具有内部连接的反馈,以提供固定电压而不是可调电压。

接下来的部分描述了芯片的各种组件是如何由硅制成的,以及它们是如何出现在芯片上的。

NPN晶体管

下面的照片显示了 LM185 中一个晶体管的特写。硅中的黑线和稍有不同的色调表示已掺杂形成 N 和 P 区域的区域。白色区域是硅顶部芯片的金属层——它们形成连接到集电极、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 三极管之外,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。

输出晶体管(下图)比其他晶体管大得多,并且具有不同的结构,以支持芯片的大电流输出。它有多个用于发射极和基极的互锁“指”,被大集电极包围。


LM185 芯片中的大电流 NPN 输出晶体管,标记了集电极 (C)、基极 (B) 和发射极 (E)

PNP晶体管

你可能认为 PNP 晶体管与 NPN 晶体管相似,只是交换了 N 和 P 硅的角色。

但由于各种原因,PNP 晶体管具有完全不同的结构。它们由一个小的圆形发射极 (P) 组成,周围是一个由集电极 (P) 包围的环形基极 (N)。

PNP 晶体管 与 NPN 晶体管的垂直结构不同,水平(横向)形成了 PNP 三极管。

下图显示了 LM185 中的一个 PNP 晶体管,以及显示硅结构的横截面。请注意,虽然基极的金属触点位于晶体管的边缘,但它通过 N 和 N 区域电连接到集电极和发射极之间的有源环。


LM185 芯片中的 PNP 晶体管,标记了集电极 (C)、发射极 (E) 和基极 (B) 的连接,以及 N 和 P 掺杂硅。

基极在发射极周围形成一个环,而集电极在基极周围形成一个环。

电阻

电阻是模拟芯片的关键元件,不过 IC 中的电阻很大且不准确,不同芯片的电阻可能相差 50%。

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。

下图显示了两个并联电阻,其他电阻具有锯齿形形状,以便将更长的电阻安装到可用空间中。


LM185芯片内部的电阻,电阻是两个金属触点之间的一条 P 硅

电容

电容由硅顶部的金属板组成,由充当电介质的薄氧化层隔开。

电容在集成电路上相当大,是该模具上最明显的组件。

下面的电容包含多个圆形图案,这些可以是掺杂硅区域,其中两个区域之间的结提供额外的电容。


芯片上的电容

保险丝

保险丝允许在制造后改变芯片的电路。

LM185 使用保险丝有两个原因。首先,保险丝可以增加或去除电阻,从而允许调整电路以获得更高的性能。

其次,保险丝改变了 LM185-1.2-N 和 LM185-2.5-N 变体之间的反馈电路。(LM185-ADJ 版本需要的更改比熔断器支持的要多,因此需要对金属层进行一些更改。例如,它连接了三个焊盘而不是两个。)

保险丝附有两个金属焊盘,在封装芯片之前,探针可以接触焊盘并施加大电流来熔断保险丝。

第一种保险丝是用一小条金属汽化来断开电路的,就像大型保险丝一样。

第二种类型的熔断器是“反熔断器”,它具有相反的行为:在施加高电流之前它不会导通,此时它变成导通的。

反熔丝可以由齐纳二极管构成,将其短路的过程称为“齐纳击穿”。高电流通过结形成金属尖峰,使其永久导电。下图显示了出现在裸片上的保险丝和反保险丝。


芯片上的保险丝和反熔丝,触点最初有更多的金属,作者用酸清除了模具上的粘液,它溶解了一些金属

IC电路:电流镜

有一些电子器件在模拟 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。

你可以用一个简单的晶体管电路,电流镜“克隆”电流的多个副本。

以下电路显示了如何使用三个相同的晶体管实现电流镜电路

参考电流通过右侧的晶体管。(在这种情况下,电流由电阻器设置。)由于所有晶体管具有相同的发射极电压和基极电压,因此它们提供相同的电流,因此左侧的电流与参考电流相匹配。


电流镜电路。左边的电流复制右边的电流

电流镜的一个常见用途是替换电阻。在之前已经说过了 IC 内部的电阻器既大又不准确,所以尽可能使用电流镜而不是多个电阻器来节省空间。

此外,与两个电阻产生的电流不同,电流镜产生的电流几乎相同。

交互式芯片

为了说明组件是如何形成芯片的,下面的芯片照片和原理图是交互式的。


交互式芯片图


交互式芯片原理图

因为LM185的三个变种略有不同,所以不得不将三个原理图组合起来形成上面的原理图。红色元件只有LM185-ADJ,绿色元件在LM185-1.2-N,蓝色元件在LM185-2.5-N,青色元件在后两个芯片。主要区别在于反馈电路,但也有其他区别。

带隙参考的工作原理

从 IC 产生稳定电压的主要问题是芯片的参数会随着温度的变化而变化。带隙电压基准通常用于创建与温度无关的电压基准。

诀窍在于它有一个电压随温度下降而另一个电压随温度上升,如果正确组合它们,你将获得随温度稳定的电压。

要产生随温度下降的电压,您你可以将恒定电流通过晶体管并查看基极和发射极之间的电压,称为 V be。下图显示了该电压如何随着温度升高而下降。左边,线击中硅的带隙电压,约 1.2 伏。


晶体管的 Vbe 与温度的关系

如果你以这种方式设置第二个晶体管但电流较低,你可以获得相同的效果,但电压 V be曲线下降得更快。

不过这好像没有什么用,,因为我们需要一个随温度升高的电压。

但诀窍是:如果你减去两个 V 的电压,则差异会随着温度的升高而增加,因为线路之间的距离越来越远,该差称为ΔV be。

下图显示了两个不同晶体管的 V be曲线,你可以看到曲线之间的差异 ΔV be如何随温度增加,即使两条曲线都随温度减小。


带隙参考电压:两个晶体管随温度变化的 Vbe

带隙参考的最后一步是将 V be和 ΔV be组合成正确的比率,因此结果随温度变化。

事实证明,如果这些值与硅的带隙电压(约 1.2 伏)相加,则 V be的下降和 ΔV 的增加被抵消。

在下图中,增加 10 份 ΔV be是正确的比例,正确的比率取决于特定的晶体管。

下图中要注意的重要一点是,随着温度的变化,V be nΔV be保持不变 - 蓝色 ΔV be线的顶部保持在带隙电压。


通过将 ΔVbe 的倍数与 Vbe 相加,无论温度如何,都能达到带隙电压

在LM185中,关键晶体管是Q10和Q11,其中Q10有10个发射极并联,所以每个都有1/10的电流。

因此,如果你将相同的电流馈入两个晶体管,则 Q10 的 Vbe电压低于 Q11,如上所述。

要注意,Q10 分为两部分:Q11 上方的一半和 Q11 下方的一半。这种布局最大限度地减少了由于芯片上的温度梯度引起的潜在误差。

Q10 的一半会比 Q11 更热,一半会更冷,因此差异将被抵消。


晶体管 Q10 和 Q11 是带隙基准的关键,Q10 有 10 个发射极,因此每个发射极的电流是 Q11 的 1/10。

带隙基准如何在 LM185 中实现

下图显示了带隙基准是如何在 LM185 中实现的。晶体管 Q10 和 Q11由于其相对尺寸而具有不同的 V be电压,这些电压的差异 (ΔV be ) 在 R7 上产生。

由于相同的电流流过 R6、R7 和 R8,根据欧姆定律,R6 上的电压将为 4ΔV be,R8 上的电压将为 6ΔV be 。因此,R6、R7 和 R8 的组合将 ΔV be乘以11。同时,Q14 具有自己的 V be。


LM185中的带隙电路

将右侧的电压相加得出 V be 11ΔV be,其设计用于匹配 1.2 伏的温度稳定带隙电压。因此,如果反馈输入和 V 之间的电压为 1.2 伏,则电路将达到平衡。

如果电压不是 1.2 伏(上面有提过),Q10 和 Q11 将通过不同量的电流。由于电流镜(Q12 和 Q13)试图将相同的电流馈入 Q10 和 Q11,因此任何差异都会在错误输出中显示为电流。

该误差电流被放大并控制输出晶体管,调整电压,直到反馈电压恢复符合要求。因此,即使温度发生变化,电路也能保持所需的电压稳定。

结论

文章有点长,虽然按照现代的标准, LM185 不包含那么多的组件,但它提供了一个稳定、稳压的电压基准。除此以外,LM185 还有一些功能,例如使用保险丝来提高性能和销售变体芯片,还说明了带隙电压调节器的原理。

以上就是今天的分享,希望大家能多多支持我呀。


图片来源于小红书

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