許多電路，例如計算機電源或者手機充電器都需要穩(wěn)定的電壓基準，但是當溫度變化時保持電壓溫度并不是一件容易的事情。

這個時候集成電路LM185就派上用場了，作者查看了這款芯片的裸片，發(fā)現(xiàn)一些有意思的事情。

相同的硅芯片用于三種不同的集成電路，使用微小的內(nèi)部保險絲來改變其功能。

LM185 芯片使用稱為帶隙基準的特殊電路，即使溫度發(fā)生變化，也能保持電壓溫定。

這篇文章主要是關(guān)于 LM185 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析。

顯微鏡下的 LM158 芯片

下面的照片顯示了顯微鏡下的 LM185 芯片，一個很小的硅方塊。

底層的硅是藍灰色的，而頂部的金屬線是橙色的。硅的區(qū)域摻雜有各種雜質(zhì)，以在芯片上形成晶體管、電阻器和其他器件，隨著硅的輕微顏色變化，摻雜的變化是可見的，頂部是國家半導體的標志。

LM185 的復(fù)合模具照片

LM185 提供三種變體，LM185-ADJ 是可調(diào)電壓基準。

總共有三個引腳：一個是控制電壓的反饋引腳。

LM185-1.2-N 是一個雙引腳器件，稱為“微功率電壓基準二極管”，類似于提供 1.235V 的齊納二極管，但性能更好（更低的功耗、更少的噪音和更好的穩(wěn)定性。）

最后，LM185-2.5-N 提供了一個 2.5V 的基準電壓。這三種變體基于相同的硅芯片。后兩者具有內(nèi)部連接的反饋，以提供固定電壓而不是可調(diào)電壓。

接下來的部分描述了芯片的各種組件是如何由硅制成的，以及它們是如何出現(xiàn)在芯片上的。

NPN晶體管

下面的照片顯示了 LM185 中一個晶體管的特寫。硅中的黑線和稍有不同的色調(diào)表示已摻雜形成 N 和 P 區(qū)域的區(qū)域。白色區(qū)域是硅頂部芯片的金屬層——它們形成連接到集電極、發(fā)射極和基極的導線。

裸片上 NPN 晶體管的結(jié)構(gòu)

照片下方是一個橫截面圖，說明了晶體管的構(gòu)造方式。除了你在書中看到的 NPN 三極管之外，還有很多其他東西，但如果你仔細觀察“E”下方的垂直橫截面，你會發(fā)現(xiàn)形成晶體管的 NPN。

發(fā)射極 (E) 線連接到 N+ 硅。其下方是連接到基極觸點 (B) 的 P 層。在其下方是（間接）連接到收集器（C）的 N+ 層。

輸出晶體管（下圖）比其他晶體管大得多，并且具有不同的結(jié)構(gòu)，以支持芯片的大電流輸出。它有多個用于發(fā)射極和基極的互鎖“指”，被大集電極包圍。

LM185 芯片中的大電流 NPN 輸出晶體管，標記了集電極 (C)、基極 (B) 和發(fā)射極 (E)

PNP晶體管

你可能認為 PNP 晶體管與 NPN 晶體管相似，只是交換了 N 和 P 硅的角色。

但由于各種原因，PNP 晶體管具有完全不同的結(jié)構(gòu)。它們由一個小的圓形發(fā)射極 (P) 組成，周圍是一個由集電極 (P) 包圍的環(huán)形基極 (N)。

PNP 晶體管 與 NPN 晶體管的垂直結(jié)構(gòu)不同，水平（橫向）形成了 PNP 三極管。

下圖顯示了 LM185 中的一個 PNP 晶體管，以及顯示硅結(jié)構(gòu)的橫截面。請注意，雖然基極的金屬觸點位于晶體管的邊緣，但它通過 N 和 N+ 區(qū)域電連接到集電極和發(fā)射極之間的有源環(huán)。

LM185 芯片中的 PNP 晶體管，標記了集電極 (C)、發(fā)射極 (E) 和基極 (B) 的連接，以及 N 和 P 摻雜硅。

基極在發(fā)射極周圍形成一個環(huán)，而集電極在基極周圍形成一個環(huán)。

電阻

電阻是模擬芯片的關(guān)鍵元件，不過 IC 中的電阻很大且不準確，不同芯片的電阻可能相差 50%。

模擬 IC 的設(shè)計只有電阻的比率很重要，而不是絕對值，因為比率幾乎保持不變。

下圖顯示了兩個并聯(lián)電阻，其他電阻具有鋸齒形形狀，以便將更長的電阻安裝到可用空間中。

LM185芯片內(nèi)部的電阻，電阻是兩個金屬觸點之間的一條 P 硅

電容

電容由硅頂部的金屬板組成，由充當電介質(zhì)的薄氧化層隔開。

電容在集成電路上相當大，是該模具上最明顯的組件。

下面的電容包含多個圓形圖案，這些可以是摻雜硅區(qū)域，其中兩個區(qū)域之間的結(jié)提供額外的電容。

芯片上的電容

保險絲

保險絲允許在制造后改變芯片的電路。

LM185 使用保險絲有兩個原因。首先，保險絲可以增加或去除電阻，從而允許調(diào)整電路以獲得更高的性能。

其次，保險絲改變了 LM185-1.2-N 和 LM185-2.5-N 變體之間的反饋電路。（LM185-ADJ 版本需要的更改比熔斷器支持的要多，因此需要對金屬層進行一些更改。例如，它連接了三個焊盤而不是兩個。）

保險絲附有兩個金屬焊盤，在封裝芯片之前，探針可以接觸焊盤并施加大電流來熔斷保險絲。

第一種保險絲是用一小條金屬汽化來斷開電路的，就像大型保險絲一樣。

第二種類型的熔斷器是“反熔斷器”，它具有相反的行為：在施加高電流之前它不會導通，此時它變成導通的。

反熔絲可以由齊納二極管構(gòu)成，將其短路的過程稱為“齊納擊穿”。高電流通過結(jié)形成金屬尖峰，使其永久導電。下圖顯示了出現(xiàn)在裸片上的保險絲和反保險絲。

芯片上的保險絲和反熔絲，觸點最初有更多的金屬，作者用酸清除了模具上的粘液，它溶解了一些金屬

IC電路：電流鏡

有一些電子器件在模擬 IC 中很常見，但起初可能看起來很神秘，電流鏡就是其中之一。

你可以用一個簡單的晶體管電路，電流鏡“克隆”電流的多個副本。

以下電路顯示了如何使用三個相同的晶體管實現(xiàn)電流鏡電路。

參考電流通過右側(cè)的晶體管。（在這種情況下，電流由電阻器設(shè)置。）由于所有晶體管具有相同的發(fā)射極電壓和基極電壓，因此它們提供相同的電流，因此左側(cè)的電流與參考電流相匹配。

電流鏡電路。左邊的電流復(fù)制右邊的電流

電流鏡的一個常見用途是替換電阻。在之前已經(jīng)說過了 IC 內(nèi)部的電阻器既大又不準確，所以盡可能使用電流鏡而不是多個電阻器來節(jié)省空間。

此外，與兩個電阻產(chǎn)生的電流不同，電流鏡產(chǎn)生的電流幾乎相同。

交互式芯片

為了說明組件是如何形成芯片的，下面的芯片照片和原理圖是交互式的。

交互式芯片圖

交互式芯片原理圖

因為LM185的三個變種略有不同，所以不得不將三個原理圖組合起來形成上面的原理圖。紅色元件只有LM185-ADJ，綠色元件在LM185-1.2-N，藍色元件在LM185-2.5-N，青色元件在后兩個芯片。主要區(qū)別在于反饋電路，但也有其他區(qū)別。

帶隙參考的工作原理

從 IC 產(chǎn)生穩(wěn)定電壓的主要問題是芯片的參數(shù)會隨著溫度的變化而變化。帶隙電壓基準通常用于創(chuàng)建與溫度無關(guān)的電壓基準。

訣竅在于它有一個電壓隨溫度下降而另一個電壓隨溫度上升，如果正確組合它們，你將獲得隨溫度穩(wěn)定的電壓。

要產(chǎn)生隨溫度下降的電壓，您你可以將恒定電流通過晶體管并查看基極和發(fā)射極之間的電壓，稱為 V be。下圖顯示了該電壓如何隨著溫度升高而下降。左邊，線擊中硅的帶隙電壓，約 1.2 伏。

晶體管的 Vbe 與溫度的關(guān)系

如果你以這種方式設(shè)置第二個晶體管但電流較低，你可以獲得相同的效果，但電壓 V be曲線下降得更快。

不過這好像沒有什么用，，因為我們需要一個隨溫度升高的電壓。

但訣竅是：如果你減去兩個 V 的電壓，則差異會隨著溫度的升高而增加，因為線路之間的距離越來越遠，該差稱為ΔV be。

下圖顯示了兩個不同晶體管的 V be曲線，你可以看到曲線之間的差異 ΔV be如何隨溫度增加，即使兩條曲線都隨溫度減小。

帶隙參考電壓：兩個晶體管隨溫度變化的 Vbe

帶隙參考的最后一步是將 V be和 ΔV be組合成正確的比率，因此結(jié)果隨溫度變化。

事實證明，如果這些值與硅的帶隙電壓（約 1.2 伏）相加，則 V be的下降和 ΔV 的增加被抵消。

在下圖中，增加 10 份 ΔV be是正確的比例，正確的比率取決于特定的晶體管。

下圖中要注意的重要一點是，隨著溫度的變化，V be +nΔV be保持不變 - 藍色 ΔV be線的頂部保持在帶隙電壓。

通過將 ΔVbe 的倍數(shù)與 Vbe 相加，無論溫度如何，都能達到帶隙電壓

在LM185中，關(guān)鍵晶體管是Q10和Q11，其中Q10有10個發(fā)射極并聯(lián)，所以每個都有1/10的電流。

因此，如果你將相同的電流饋入兩個晶體管，則 Q10 的 Vbe電壓低于 Q11，如上所述。

要注意，Q10 分為兩部分：Q11 上方的一半和 Q11 下方的一半。這種布局最大限度地減少了由于芯片上的溫度梯度引起的潛在誤差。

Q10 的一半會比 Q11 更熱，一半會更冷，因此差異將被抵消。

晶體管 Q10 和 Q11 是帶隙基準的關(guān)鍵，Q10 有 10 個發(fā)射極，因此每個發(fā)射極的電流是 Q11 的 1/10。

帶隙基準如何在 LM185 中實現(xiàn)

下圖顯示了帶隙基準是如何在 LM185 中實現(xiàn)的。晶體管 Q10 和 Q11由于其相對尺寸而具有不同的 V be電壓，這些電壓的差異 (ΔV be ) 在 R7 上產(chǎn)生。

由于相同的電流流過 R6、R7 和 R8，根據(jù)歐姆定律，R6 上的電壓將為 4ΔV be，R8 上的電壓將為 6ΔV be 。因此，R6、R7 和 R8 的組合將 ΔV be乘以11。同時，Q14 具有自己的 V be。

LM185中的帶隙電路

將右側(cè)的電壓相加得出 V be + 11ΔV be，其設(shè)計用于匹配 1.2 伏的溫度穩(wěn)定帶隙電壓。因此，如果反饋輸入和 V+ 之間的電壓為 1.2 伏，則電路將達到平衡。

如果電壓不是 1.2 伏（上面有提過），Q10 和 Q11 將通過不同量的電流。由于電流鏡（Q12 和 Q13）試圖將相同的電流饋入 Q10 和 Q11，因此任何差異都會在錯誤輸出中顯示為電流。

該誤差電流被放大并控制輸出晶體管，調(diào)整電壓，直到反饋電壓恢復(fù)符合要求。因此，即使溫度發(fā)生變化，電路也能保持所需的電壓穩(wěn)定。

結(jié)論

文章有點長，雖然按照現(xiàn)代的標準， LM185 不包含那么多的組件，但它提供了一個穩(wěn)定、穩(wěn)壓的電壓基準。除此以外，LM185 還有一些功能，例如使用保險絲來提高性能和銷售變體芯片，還說明了帶隙電壓調(diào)節(jié)器的原理。