Teardown: Früher 555-Timer-Chip

Der vom Analog-IC-Experten Hans Camenzind entwickelte  555 gilt als einer der besten Chips aller Zeiten. Mit Milliarden verkauften Exemplaren gilt er als der weltweit meistverkaufte integrierte Schaltkreis .

    Ein 8-poliger 555-Timer mit dem Signetics-Logo. Anstelle eines 555-Etiketts trägt er die Aufschrift „52B 01003“ und den Datumscode 7304, was auf die vierte Kalenderwoche des Jahres 1973 hinweist.

    Ich habe das Epoxidharzgehäuse mühsam abgeschliffen, um den Chip (siehe unten) freizulegen, und konnte feststellen, dass es sich um einen 555-Timer handelte. Signetics brachte den 555-Timer Mitte 1972 auf den Markt, und der Chip unten trägt einen Datumscode (7304) vom Januar 1973. Es muss sich also um einen der ersten 555-Timer handeln. Seltsamerweise ist er nicht als 555 gekennzeichnet, daher handelt es sich wahrscheinlich um einen Prototyp oder eine interne Version.

    Ich habe detaillierte Fotos der Form gemacht und sie in diesem Blogbeitrag besprochen.

    Das Gehäuse des 555-Timers wurde abgeschliffen, um den Siliziumchip und das kleine Quadrat in der Mitte freizulegen.

    Der 555-Timer hat Hunderte von Anwendungen, von Timern und Latches bis hin zu spannungsgesteuerten Oszillatoren und Modulatoren. Das folgende Diagramm veranschaulicht, wie ein 555-Timer als einfacher Oszillator funktioniert. Im 555-Chip bilden drei Widerstände einen Spannungsteiler und erzeugen Referenzspannungen bei 1/3 und 2/3 der Versorgungsspannung. Ein externer Kondensator lädt und entlädt sich zwischen diesen Grenzen und erzeugt Schwingungen. Genauer gesagt lädt sich der Kondensator langsam über den externen Widerstand (A) auf, bis seine Spannung 2/3 der Referenzspannung erreicht. An diesem Punkt (B) schaltet der obere (Schwellenwert-)Komparator das Flip-Flop aus und schaltet den Ausgang ab. Dadurch wird der Entladetransistor eingeschaltet, wodurch sich der Kondensator langsam entlädt (C). Wenn die Spannung am Kondensator 1/3 der Referenzspannung erreicht (D), wird der untere (Trigger-)Komparator eingeschaltet, wodurch das Flip-Flop und der Ausgang eingestellt werden, und der Zyklus wiederholt sich. Die Werte der Widerstände und Kondensatoren steuern die Dauer von Mikrosekunden bis Stunden.

    Diagramm, das zeigt, wie der 555-Timer als Oszillator funktioniert. Unter der Steuerung des 555-Timers wird ein externer Kondensator über einen externen Widerstand geladen und entladen.

    Zusammenfassend sind die Hauptkomponenten des 555-Timers ein Komparator, der die oberen und unteren Spannungsgrenzen erkennt, ein Spannungsteiler mit drei Widerständen, der diese Grenzen festlegt, und ein Flip-Flop, das überwacht, ob die Schaltung geladen oder entladen wird. Der 555-Timer verfügt außerdem über zwei Pins (Reset und Steuerspannung), die ich oben nicht erwähnt habe und die für komplexere Schaltungen verwendet werden können.

    Das folgende Foto wurde aus einer Zusammenstellung von Mikroskopaufnahmen erstellt. Auf dem Silizium verbindet eine dünne Metallschicht verschiedene Teile des Chips. Dieses Metall ist auf dem Foto deutlich als helle Spuren zu erkennen. Unter dem Metall isoliert eine dünne, glasartige Schicht aus Siliziumdioxid das Metall vom Silizium, mit Ausnahme der Kontaktlöcher im Siliziumdioxid, die eine Verbindung zwischen Metall und Silizium ermöglichen. Am Rand des Chips verbinden feine Drähte Metallpads mit den externen Pins des Chips.

    Die verschiedenen Siliziumarten auf einem Chip sind schwerer zu erkennen. Bereiche des Chips werden mit Verunreinigungen behandelt (dotiert), um die elektrischen Eigenschaften des Siliziums zu verändern. N-Typ-Silizium hat einen Elektronenüberschuss (negativ), während P-Typ-Silizium einen Elektronenmangel (positiv) aufweist. Auf dem Foto erscheinen diese Bereiche in leicht unterschiedlichen Farben und sind von einem dünnen schwarzen Rand umgeben. Diese Bereiche sind die Komponenten des Chips und bilden Transistoren und Widerstände. Speichern Sie unter Windows das Bild zunächst auf Ihrem Desktop und ziehen Sie es dann über das Bild.

    Transistoren sind Schlüsselkomponenten von Chips. Der 555-Timer verwendet bipolare NPN- und PNP-Transistoren. Wenn Sie Elektronik studiert haben, haben Sie wahrscheinlich Diagramme von NPN-Transistoren gesehen, wie das unten stehende, das den Kollektor (C), die Basis (B) und die Kathode (E) des Transistors zeigt. Der Transistor wird als p-Silizium zwischen zwei symmetrischen Schichten aus n-Silizium dargestellt, wobei die NPN-Schicht den NPN-Transistor bildet. Es stellt sich heraus, dass Transistoren auf Chips nicht so aussehen, und die Basis befindet sich oft nicht einmal in der Mitte!

    Oben das Schaltsymbol für einen NPN-Transistor zusammen mit einem vereinfachten Diagramm seiner internen Struktur.

    Das Foto unten zeigt eine Nahaufnahme eines der Transistoren im 555, wie er auf dem Chip erscheint. Die leicht unterschiedlichen Siliziumtöne kennzeichnen Bereiche, die zur Bildung der N- und P-Regionen dotiert wurden. Die weißen Bereiche sind die Metallschichten auf dem Silizium – diese bilden die Drähte, die Kollektor, Gate und Basis verbinden.

    Wie oben gezeigt, ist die Struktur des NPN-Transistors auf dem Chip.

    Unter dem Foto ist ein Querschnittsdiagramm zu sehen, das den Aufbau eines Transistors veranschaulicht. Es steckt viel mehr dahinter als der NPN, den man in Büchern sieht, aber wenn Sie sich den vertikalen Querschnitt unter dem „E“ genau ansehen, erkennen Sie den NPN, der den Transistor bildet. Der Gate-Draht (E) ist mit dem N+-Silizium verbunden. Darunter befindet sich die P-Schicht, die mit dem Basiskontakt (B) verbunden ist. Darunter befindet sich die N+-Schicht (indirekt), die mit dem Kollektor (C) verbunden ist. Der Transistor ist von einem P+-Ring umgeben, der ihn von benachbarten Komponenten isoliert.

    PNP-Transistor im IC:

    Das obige Bild zeigt einen PNP-Transistor in einem 555-Timer-Chip. Die Anschlüsse für Kollektor (C), Kathode (E) und Basis (B) sind ebenso gekennzeichnet wie das N- und P-dotierte Silizium. Die Basis bildet einen Ring um die Kathode, der Kollektor einen Ring um die Basis.

    Die Ausgangstransistoren des 555 sind deutlich größer als die anderen Transistoren und haben eine andere Struktur, um eine hohe Stromabgabe zu ermöglichen. Das Foto unten zeigt einen der Ausgangstransistoren. Beachten Sie die zahlreichen ineinandergreifenden „Finger“ von Kathode und Basis, umgeben vom großen Kollektor.

    Das obige Bild zeigt einen Hochstrom-NPN-Ausgangstransistor in einem 555-Timer-Chip. Kollektor (C), Basis (B) und Kathode (E) sind beschriftet.     Wie werden Widerstände in Silizium implementiert?     Widerstände sind Schlüsselkomponenten analoger Chips. Leider sind Widerstände in ICs groß und ungenau. Der Widerstandswert verschiedener Chips kann um bis zu 50 % variieren. Daher ist beim Design analoger ICs nur das Verhältnis der Widerstände entscheidend, nicht ihre absoluten Werte, da das Verhältnis praktisch konstant bleibt.

    Wie oben gezeigt, befindet sich der Widerstand im Timer 555. Ein Widerstand ist ein Streifen aus P-Silizium zwischen zwei Metallkontakten.

    Das Foto oben zeigt  einen 10-kΩ-Widerstand in einem 555. Er besteht aus einem Streifen P-Silizium (rosa-grau) mit Metallleiterbahnen an beiden Enden. Weitere Metallleiterbahnen verlaufen durch den Widerstand. Der Widerstand ist spiralförmig, um seine Länge an den verfügbaren Platz anzupassen. Der Widerstand darunter ist ein 100-kΩ-Pinch-Widerstand. Die N-Siliziumschicht auf dem Sandwich-Widerstand macht den leitfähigen Bereich dünner (d. h. umschließt ihn wie ein Sandwich), was zu einem höheren, aber ungenaueren Widerstand führt.

    Der Pinch-Widerstand in einem 555-Timer. Der Widerstand besteht aus einem Streifen P-Silizium zwischen zwei Metallkontakten. Die darüberliegende N-Schicht klemmt den Widerstand und erhöht so seinen Widerstand. Eine vertikale Metallleitung verläuft durch den Widerstand.

    Es gibt einige Teilschaltungen, die in analogen ICs üblich sind, aber zunächst mysteriös erscheinen können. Der Stromspiegel ist eine davon. Wenn Sie schon einmal ein Blockdiagramm eines analogen ICs gesehen haben, ist Ihnen vielleicht das unten stehende Symbol für eine Stromquelle aufgefallen und Sie haben sich gefragt, was eine Stromquelle ist und wozu sie verwendet wird. Die Idee dahinter ist, mit einem bekannten Strom zu beginnen und dann mithilfe einer einfachen Transistorschaltung, dem Stromspiegel, mehrere Kopien dieses Stroms zu „klonen“.

    Wie oben gezeigt, das Schaltsymbol der Stromquelle.

    Die folgende Schaltung zeigt, wie man einen Stromspiegel mit zwei identischen Transistoren realisiert. Durch den rechten Transistor fließt ein Referenzstrom. (In diesem Fall wird der Strom durch einen Widerstand eingestellt.) Da beide Transistoren die gleiche Gate- und Basisspannung haben, erzeugen sie den gleichen Strom. Der rechte Strom entspricht also dem linken Referenzstrom.

    Wie oben gezeigt, kopiert in der Stromspiegelschaltung der Strom auf der rechten Seite den Strom auf der linken Seite.

    Stromspiegel werden häufig als Ersatz für Widerstände eingesetzt. Wie bereits erwähnt, sind Widerstände in ICs groß, ungenau und unpraktisch. Um Platz zu sparen, werden daher nach Möglichkeit Stromspiegel anstelle von Widerständen eingesetzt. Darüber hinaus sind die von einem Stromspiegel erzeugten Ströme im Gegensatz zu den von zwei Widerständen erzeugten Strömen nahezu identisch.

    Wie in der obigen Abbildung gezeigt, bilden drei Transistoren einen Stromspiegel im 555-Timer-Chip. Sie teilen sich dieselbe Basis und zwei Transistoren teilen sich denselben Anschluss.

    Die drei Transistoren oben bilden einen Stromspiegel mit zwei Ausgängen. Beachten Sie, dass die drei Transistoren einen gemeinsamen Basisanschluss haben, der mit dem rechten Kollektor verbunden ist, und dass die rechten Kollektoren miteinander verbunden sind. Im Schaltplan sind die beiden rechten Transistoren als ein einzelner Doppelkollektortransistor Q19 dargestellt.

    Die zweite wichtige Schaltung, die Sie verstehen müssen, ist das Differenzpaar, die häufigste Zwei-Transistor-Teilschaltung in analogen ICs. Sie haben sich vielleicht gefragt, wie ein Komparator zwei Spannungen vergleicht oder wie ein Operationsverstärker zwei Spannungen subtrahiert. Dies ist die Aufgabe des Differenzpaars.

    Oben sehen Sie das Schaltbild einer einfachen Differenzialpaarschaltung. Eine Stromquelle schickt einen festen Strom I durch das Differenzialpaar. Sind die beiden Eingänge gleich, wird der Strom gleichmäßig aufgeteilt.

    Das obige Schema zeigt ein einfaches Differenzialpaar. Die untere Stromquelle liefert einen festen Strom I, der auf die beiden Eingangstransistoren aufgeteilt wird. Bei gleichen Eingangsspannungen wird der Strom gleichmäßig auf zwei Zweige (I1 und I2) aufgeteilt. Ist eine Eingangsspannung geringfügig höher als die andere, leitet der entsprechende Transistor exponentiell mehr Strom, sodass ein Zweig mehr Strom erhält und der andere weniger. Eine kleine Eingangsdifferenz reicht aus, um den Großteil des Stroms in den „gewinnenden“ Zweig zu leiten und so den Komparator ein- oder auszuschalten. Der 555-Chip verwendet ein Differenzialpaar als Schwellenwertkomparator und das andere als Triggerkomparator.