显微镜下不雅观察LM185 芯片内部结构一文带你读懂 LM185 电压基准事理

许多电路，例如打算机电源或者手机充电器都须要稳定的电压基准，但是当温度变革时保持电压温度并不是一件随意马虎的事情。

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，创造一些故意思的事情。

相同的硅芯片用于三种不同的集成电路，利用眇小的内部保险丝来改变其功能。

LM185 芯片利用称为带隙基准的分外电路，纵然温度发生变革，也能保持电压温定。

这篇文章紧张是关于 LM185 芯片的内部构造剖析。

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革，掺杂的变革是可见的，顶部是国家半导体的标志。

LM185 的复合模具照片

LM185 供应三种变体，LM185-ADJ 是可调电压基准。

统共有三个引脚：一个是掌握电压的反馈引脚。

LM185-1.2-N 是一个双引脚器件，称为“微功率电压基准二极管”，类似于供应 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。
）

末了，LM185-2.5-N 供应了一个 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，以供应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，以及它们是如何涌如今芯片上的。

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 晶体管的构造

照片下方是一个横截面图，解释了晶体管的布局办法。
除了你在书中看到的 NPN 三极管之外，还有很多其他东西，但如果你仔细不雅观察“E”下方的垂直横截面，你会创造形成晶体管的 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）连接到网络器（C）的 N+ 层。

输出晶体管（下图）比其他晶体管大得多，并且具有不同的构造，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，只是交流了 N 和 P 硅的角色。

但由于各种缘故原由，PNP 晶体管具有完备不同的构造。
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 晶体管的垂直构造不同，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，以及显示硅构造的横截面。
请把稳，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

电阻是仿照芯片的关键元件，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%。

仿照 IC 的设计只有电阻的比率很主要，而不是绝对值，由于比率险些保持不变。

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称大，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，个中两个区域之间的结供应额外的电容。

芯片上的电容

保险丝

保险丝许可在制造后改变芯片的电路。

LM185 利用保险丝有两个缘故原由。
首先，保险丝可以增加或去除电阻，从而许可调度电路以得到更高的性能。

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 版本须要的变动比熔断器支持的要多，因此须要对金属层进行一些变动。
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，探针可以打仗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”。
高电流利过结形成金属尖峰，使其永久导电。
下图显示了涌如今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，作者用酸打消了模具上的粘液，它溶解了一些金属

IC电路：电流镜

有一些电子器件在仿照 IC 中很常见，但起初可能看起来很神秘，电流镜便是个中之一。

你可以用一个大略的晶体管电路，电流镜“克隆”电流的多个副本。

以下电路显示了如何利用三个相同的晶体管实现电流镜电路。

参考电流利过右侧的晶体管。
（在这种情形下，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，因此它们供应相同的电流，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场是更换电阻。
在之前已经说过了 IC 内部的电阻器既大又不准确，以是尽可能利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，电流镜产生的电流险些相同。

交互式芯片

为相识释组件是如何形成芯片的，下面的芯片照片和事理图是交互式的。

交互式芯片图

交互式芯片事理图

由于LM185的三个变种略有不同，以是不得不将三个事理图组合起来形成上面的事理图。
赤色元件只有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。
紧张差异在于反馈电路，但也有其他差异。

带隙参考的事情事理

从 IC 产生稳定电压的紧张问题是芯片的参数会随着温度的变革而变革。
带隙电压基准常日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低落而另一个电压随温度上升，如果精确组合它们，你将得到随温度稳定的电压。

要产生随温度低落的电压，您你可以将恒定电流利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低落。
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

如果你以这种办法设置第二个晶体管但电流较低，你可以得到相同的效果，但电压 V be曲线低落得更快。

不过这彷佛没有什么用，，由于我们须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，由于线路之间的间隔越来越远，该差称为V 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 V be如何随温度增加，纵然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革的 Vbe

带隙参考的末了一步是将 V be和 V be组合成精确的比率，因此结果随温度变革。

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的低落和 V 的增加被抵消。

不才图中，增加 10 份 V be是精确的比例，精确的比率取决于特定的晶体管。

下图中要把稳的主要一点是，随着温度的变革，V be +nV be保持不变 - 蓝色 V be线的顶部保持在带隙电压。

通过将 Vbe 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，个中Q10有10个发射极并联，以是每个都有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。

要把稳，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偏差。

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 (V 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 4V be，R8 上的电压将为 6V be 。
因此，R6、R7 和 R8 的组合将 V 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 + 11V 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缺点输出中显示为电流。

该偏差电流被放大并掌握输出晶体管，调度电压，直到反馈电压规复符合哀求。
因此，纵然温度发生变革，电路也能保持所需的电压稳定。

结论

文章有点长，虽然按照当代的标准， LM185 不包含那么多的组件，但它供应了一个稳定、稳压的电压基准。
除此以外，LM185 还有一些功能，例如利用保险丝来提高性能和发卖变体芯片，还解释了带隙电压调节器的事理。

以上便是本日的分享，希望大家能多多支持我呀。

图片来源于小红书