Analog çipte tersine mühendislik nasıl yapılır: TDA7000 FM radyo alıcısı

Hiç bir kalıp fotoğrafından analog bir çipe tersine mühendislik yapmak istediniz mi? Bir entegre devrenin "kara kutusunun" içinde ne olduğunu anlamak mı istiyorsunuz? Bu yazıda tersine mühendislik sürecimi aşağıdaki yöntemleri kullanarak anlatıyorum: Örnek olarak Philips TDA7000 FM radyo alıcı çipi. Bu çip, çip üzerindeki ilk FM radyo alıcısıydı.1 Büyük transistörlerin ve tek katmanlı kabloların çağı olan 1977'de tasarlandı. metal; dolayısıyla incelenmesi modern talaşlara göre çok daha kolaydır. Bununla birlikte TDA7000, 100'den fazla transistöre sahip önemsiz bir çiptir. Diferansiyel amplifikatörler ve akım aynaları gibi ortak analog devreleri içerir. Gilbert hücre karıştırıcıları gibi daha belirsiz devreler.

Yukarıdaki kalıp fotoğrafı TDA7000'in silikon kalıbını göstermektedir; Ana işlevsel blokları ve bazı ilginç blokları etiketledim bileşenler. Çipin sınırı etrafında 18 bağ yastığı düzenlenmiştir: pedler ince altın bağ telleriyle bağlanmıştır. entegre devre paketinin pinlerine. Bu çipte silikon yeşilimsi görünüyor ve biraz farklı renklerde (gri, pembe ve sarı-yeşil) görülüyor. silikon, özelliklerini değiştirmek için yabancı maddelerle "katkılanmıştır". Katkılama modellerini dikkatlice incelemek, çipi oluşturan transistörleri, dirençleri ve diğer mikroskobik bileşenleri ortaya çıkaracaktır.

Kalıbın en görünür kısmı, silikon yapıları birbirine bağlayan benekli beyaz çizgiler olan metal kablolardır. Metal katman, altındaki silikondan yalıtkan bir oksit katmanıyla ayrılarak metal çizgilerin geçmesine izin verir diğer devrelerde sorun yok. Metal bir telin alttaki silikona bağlandığı yerde küçük beyaz bir kare görünür; bu kare oksit tabakasında metalin silikonla temas etmesini sağlayan bir deliktir.

Bu çipin tek bir metal katmanı var, dolayısıyla incelenmesi bir düzine veya daha fazla metal içeren modern çiplerden çok daha kolay metal katmanları. Ancak tek metal katmanı, tasarımcıların kabloları yönlendirmesini çok daha zorlaştırdı. kabloları geçmekten kaçınmak. Yukarıdaki kalıp fotoğrafında, kabloların ortadaki devre çevresinde nasıl kıvrılarak uzun bir yol kat ettiğini görebilirsiniz. çünkü direkt yol kapalı. Daha sonra tasarımcıların düzeni başarılı kılmak için kullandıkları bazı püf noktalarını tartışacağım.

NPN transistörleri

Transistörler bir çipteki anahtar bileşenlerdir; anahtar, amplifikatör ve diğer aktif cihazlar gibi davranırlar. Modern entegre devreler MOS transistörlerinden üretilirken, TDA7000 gibi daha önceki çipler de bipolardan yapılmış transistörler: NPN ve PNP transistörleri. Aşağıdaki fotoğraf, çip üzerinde göründüğü haliyle TDA7000'deki bir NPN transistörünü göstermektedir. Farklı tonlar, N ve P bölgelerini oluşturan, çeşitli yabancı maddelerle katkılanmış silikon bölgeleridir. farklı elektriksel özelliklere sahiptir. Beyaz çizgiler, transistörün toplayıcısına (C), vericisine (E) ve tabanına (B) bağlanan metal kablolardır. Kalıp fotoğrafının altındaki kesit diyagramı transistörün nasıl yapıldığını gösterir. Vericinin altındaki bölge, NPN transistörünü tanımlayan N-P-N sandviçini oluşturur.

Bir NPN transistörünün parçaları görünüşlerine göre tanımlanabilir. Verici kompakt bir noktadır ve etrafı çevrilidir. taban bölgesinin gri silikonu tarafından. Toplayıcı daha büyüktür ve vericiden ve tabandan ayrılır, bazen önemli bir mesafeyle ayrılır. Diğer çiplerde renkler farklı görünebilir ancak fiziksel yapılar benzerdir. Temelin kavramsal olarak ortada olmasına rağmen, çoğu zaman fiziksel düzenin ortasında olmadığını unutmayın.

Transistör, P+ silikondan oluşan sarımsı yeşil bir kenarlıkla çevrelenmiştir; bu sınır transistörü komşu transistörlerden izole ettiği için yapının önemli bir parçasıdır.2Yalıtım sınırı, transistörler arasındaki sınırları gösterdiği için tersine mühendislik için faydalıdır.

PNP transistörleri

PNP transistörlerinin NPN transistörlerine benzer olmasını, yalnızca N ve P silikon rollerini değiştirmesini bekleyebilirsiniz. Ancak çeşitli nedenlerden dolayı PNP transistörleri tamamen farklı bir yapıya sahiptir. Kolektör (P) tarafından çevrelenen halka şeklinde bir taban (N) ile çevrelenmiş dairesel bir yayıcıdan (P) oluşurlar. Bu, bir NPN transistörünün dikey yapısından farklı olarak yatay olarak (yanal olarak) bir P-N-P sandviçi oluşturur. Çoğu çipte NPN ve PNP transistörlerini ayırt etmek basittir çünkü NPN transistörleri dikdörtgendir PNP transistörleri daireseldir.

Yukarıdaki diyagram TDA7000'deki PNP transistörlerinden birini göstermektedir. NPN transistöründe olduğu gibi emitör kompakt bir noktadır. Toplayıcı gri P tipi silikondan oluşur; buna karşılık,baseBir NPN transistörünün gri P tipi silikondan oluşur. Ayrıca NPN transistörünün aksine baz kontağı PNP transistörünün kolektör kontağı daha yakınken, uzaktadır. (Bunun nedeni, izolasyon sınırı içindeki silikonun çoğunun N tipi silikon olmasıdır. Bir PNP transistöründe bu, bölgesi baza bağlanırken, NPN transistöründe bu bölge toplayıcıya bağlanır.)

Yarı iletken nedenlerden dolayı PNP transistörlerinin NPN transistörlerinden daha düşük performansa sahip olduğu ortaya çıktı3, bu nedenle çoğu analog devre, PNP transistörlerinin gerekli olduğu durumlar dışında NPN transistörlerini kullanır. Örneğin, TDA7000'de 100'den fazla NPN transistörü var ancak yalnızca dokuz PNP transistörü var. Buna göre tartışmamı NPN transistörleri üzerine yoğunlaştıracağım.

Dirençler

Dirençler analog çiplerin önemli bir bileşenidir. Aşağıdaki fotoğraf, TDA7000'deki gri P tipi silikondan oluşan zig-zagging direncini göstermektedir. Direnç uzunlukla orantılıdır,4o kadar büyük değerli dirençler mevcut olana uyum sağlamak için ileri geri kıvrılıyor uzay. İki kırmızı ok, direncin uçları ile metal kablolar arasındaki kontakları gösterir. Direncin etrafındaki izolasyon bölgesine, sarımsı kenarlığa dikkat edin. Bu izolasyon olmadan, N-silikona gömülü iki direnç (P-silisyumdan yapılmış) kasıtsız bir PNP transistörü oluşturabilir.

Ne yazık ki IC'lerdeki dirençler çok hatalı; dirençler çipten çipe %50 oranında değişebilir. Sonuç olarak, analog devreler tipik olarakorandirenç değerlerinin bir çip içinde oldukça sabittir. Üstelik yüksek değerli dirençler uygunsuz derecede büyüktür. Aşağıda ihtiyacı azaltmak için bazı teknikleri göreceğiz. büyük dirençler.

Kondansatörler

Kondansatörler analog devrelerdeki bir diğer önemli bileşendir. Aşağıdaki kapasitör, kapasitör olarak çok büyük bir ters taraflı diyot kullanan bir "bağlantı kapasitörü" dür. Pembe "parmaklar", gri P katkılı silikonun içine yerleştirilmiş N katkılı bölgelerdir. Parmaklar bir "tarak kapasitör" oluşturur; bu düzen çevre alanını maksimuma çıkarır ve böylece kapasitansı artırır. Ters öngerilim üretmek için, N-silikon parmaklar üst metal şerit aracılığıyla pozitif voltaj kaynağına bağlanır. P silikonu devreye alt metal şerit üzerinden bağlanır.

Bir diyot bağlantısı nasıl bir kapasitör oluşturur? Bir diyot ters kutuplandığında, N ve P silikon arasındaki temas bölgesi "tükenir" ve iki iletken silikon bölgesi arasında ince bir yalıtım bölgesi oluşur. İki iletken yüzey arasındaki yalıtkan bir kapasitör oluşturduğundan diyot bir kapasitör görevi görür. Diyot kapasitörleriyle ilgili bir problem, kapasitansın voltaja göre değişmesidir çünkü diyotun kalınlığı tükenme bölgesi voltajla değişir. Ancak daha sonra göreceğimiz gibi TDA7000'in ayar devresi bu dezavantajı bir özelliğe dönüştürüyor.

Diğer yongalar genellikle ince bir oksit veya başka bir dielektrik katmanla ayrılmış, silikon üzerinde metal bir plaka bulunan bir kapasitör oluşturur. Bununla birlikte, bipolar çiplerin üretim süreci genellikle ince oksit sağlamaz, bu nedenle bağlantı kapasitörleri yaygın bir alternatiftir.5 Çip üzerindeki kapasitörler çok yer kaplar ve nispeten küçük kapasitansa sahiptirler, bu nedenle IC tasarımcıları kapasitörlerden kaçınmaya çalışırlar. TDA7000'in çip üzerinde yedi kapasitörü vardır ancak bu tasarımdaki kapasitörlerin çoğu daha büyük, harici kapasitörlerdir: çip 18 pinin 12'sini harici kapasitörleri dahili devredeki gerekli noktalara bağlamak için kullanır.

Önemli analog devreler

Analog çiplerde birkaç devre çok yaygındır. Bu bölümde bu devrelerden bazılarını açıklayacağım ama önce Tersine mühendislik için bilmeniz gereken minimum bilgi olan NPN transistörünün son derece basitleştirilmiş bir açıklamasını vereceğim. (PNP transistörleri, gerilimlerin ve akımların kutuplarının ters olması dışında benzerdir. TDA7000'de PNP transistörleri nadir olduğundan ayrıntılara girmeyeceğim.)

Bir transistörde taban, toplayıcı ile toplayıcı arasındaki akımı kontrol eder. Verici, transistörün bir anahtar veya amplifikatör olarak çalışmasına izin verir. Spesifik olarak, eğer bir NPN transistörünün tabanından emitöre küçük bir akım akarsa, kolektörden çok daha büyük bir akım akabilir. yayıcıya göre belki 100 kat daha büyük.6 Akımın akması için tabanın emitörden yaklaşık 0,6 volt daha yüksek olması gerekir. Baz voltajı artmaya devam ettikçe, baz emitör akımı katlanarak artar ve bu durum toplayıcı-yayıcı akımı artar. (Normalde bir direnç, tabanın yayıcının 0,6V'tan fazla üstüne çıkmamasını sağlar, dolayısıyla akımlar makul kalın.)

NPN transistör devrelerinin bazı genel özellikleri vardır. Taban akımı olmadığında transistör kapalıdır: kolektör yüksek ve emitör düşüktür. Transistör açıldığında akım transistör aracılığıyla kollektör voltajını düşürür ve emitör voltajını yükseltir. Bu nedenle, kaba anlamda, yayıcı evirmeyen çıkıştır ve toplayıcı evirici çıkıştır.

Transistörlerin tam davranışı çok daha karmaşıktır. Tersine mühendisliğin güzel yanı devrenin çalıştığını varsayabilmemdir: tasarımcıların bunu yapması gerekiyordu. Erken etki, kapasitans ve beta gibi faktörleri göz önünde bulundurun, ancak bunları görmezden gelebilirim.

Verici takipçisi

En basit transistör devrelerinden biri yayıcı takipçisidir. Bu devrede emitör gerilimi baz gerilimini takip eder. tabanın yaklaşık 0,6 volt altında kalıyor. (0,6 voltluk düşüşe aynı zamanda "diyot düşüşü" de denir çünkü baz-emitör bağlantısı bir diyot gibi davranır.)

Bu davranış bir geri bildirim döngüsüyle açıklanabilir. Emitör voltajı çok yüksekse, tabandan emitöre giden akım düşer, dolayısıyla üzerinden geçen akım Transistörün amplifikasyonu nedeniyle toplayıcı düşer. Direnç üzerinden daha az akım...