我是小七，今天給大家分享一款常見的電壓基準芯片--LM185。（來源于 Ken Shirriff）。

許多電路，例如計算機電源或者手機充電器都需要穩定的電壓基準，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，發現一些有意思的事情。

相同的矽芯片用于三種不同的集成電路，使用微小的内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，即使溫度發生變化，也能保持電壓溫定。

這篇文章主要是關于 LM185 芯片的内部結構分析。

下面的照片顯示了顯微鏡下的 LM185 芯片，一個很小的矽方塊。

底層的矽是藍灰色的，而頂部的金屬線是橙色的。矽的區域摻雜有各種雜質，以在芯片上形成晶體管、電阻器和其他器件，随着矽的輕微顔色變化，摻雜的變化是可見的，頂部是國家半導體的标志。

LM185 的複合模具照片

LM185 提供三種變體，LM185-ADJ 是可調電壓基準。

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定性。）

最後，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矽芯片。後兩者具有内部連接的反饋，以提供固定電壓而不是可調電壓。

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

下面的照片顯示了 LM185 中一個晶體管的特寫。矽中的黑線和稍有不同的色調表示已摻雜形成 N 和 P 區域的區域。白色區域是矽頂部芯片的金屬層——它們形成連接到集電極、發射極和基極的導線。

裸片上 NPN 晶體管的結構

照片下方是一個橫截面圖，說明了晶體管的構造方式。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，你會發現形成晶體管的 NPN。

發射極 (E) 線連接到 N 矽。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，并且具有不同的結構，以支持芯片的大電流輸出。它有多個用于發射極和基極的互鎖“指”，被大集電極包圍。

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

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

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

PNP 晶體管 與 NPN 晶體管的垂直結構不同，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，以及顯示矽結構的橫截面。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 區域電連接到集電極和發射極之間的有源環。

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

基極在發射極周圍形成一個環，而集電極在基極周圍形成一個環。

電阻是模拟芯片的關鍵元件，不過 IC 中的電阻很大且不準确，不同芯片的電阻可能相差 50%。

模拟 IC 的設計隻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電阻，其他電阻具有鋸齒形形狀，以便将更長的電阻安裝到可用空間中。

LM185芯片内部的電阻，電阻是兩個金屬觸點之間的一條 P 矽

電容由矽頂部的金屬闆組成，由充當電介質的薄氧化層隔開。

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，這些可以是摻雜矽區域，其中兩個區域之間的結提供額外的電容。

芯片上的電容

保險絲允許在制造後改變芯片的電路。

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成，将其短路的過程稱為“齊納擊穿”。高電流通過結形成金屬尖峰，使其永久導電。下圖顯示了出現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

有一些電子器件在模拟 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電流鏡電路。

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

電流鏡電路。左邊的電流複制右邊的電流

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

此外，與兩個電阻産生的電流不同，電流鏡産生的電流幾乎相同。

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，所以不得不将三個原理圖組合起來形成上面的原理圖。紅色元件隻有LM185-ADJ，綠色元件在LM185-1.2-N，藍色元件在LM185-2.5-N，青色元件在後兩個芯片。主要區别在于反饋電路，但也有其他區别。

從 IC 産生穩定電壓的主要問題是芯片的參數會随着溫度的變化而變化。帶隙電壓基準通常用于創建與溫度無關的電壓基準。

訣竅在于它有一個電壓随溫度下降而另一個電壓随溫度上升，如果正确組合它們，你将獲得随溫度穩定的電壓。

要産生随溫度下降的電壓，您你可以将恒定電流通過晶體管并查看基極和發射極之間的電壓，稱為 V be。下圖顯示了該電壓如何随着溫度升高而下降。左邊，線擊中矽的帶隙電壓，約 1.2 伏。

晶體管的 Vbe 與溫度的關系

如果你以這種方式設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。

不過這好像沒有什麼用，，因為我們需要一個随溫度升高的電壓。

但訣竅是：如果你減去兩個 V 的電壓，則差異會随着溫度的升高而增加，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如何随溫度增加，即使兩條曲線都随溫度減小。

帶隙參考電壓：兩個晶體管随溫度變化的 Vbe

帶隙參考的最後一步是将 V be和 ΔV be組合成正确的比率，因此結果随溫度變化。

事實證明，如果這些值與矽的帶隙電壓（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是正确的比例，正确的比率取決于特定的晶體管。

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

通過将 ΔVbe 的倍數與 Vbe 相加，無論溫度如何，都能達到帶隙電壓

在LM185中，關鍵晶體管是Q10和Q11，其中Q10有10個發射極并聯，所以每個都有1/10的電流。

因此，如果你将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，因此差異将被抵消。

晶體管 Q10 和 Q11 是帶隙基準的關鍵，Q10 有 10 個發射極，因此每個發射極的電流是 Q11 的 1/10。

下圖顯示了帶隙基準是如何在 LM185 中實現的。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 上産生。

由于相同的電流流過 R6、R7 和 R8，根據歐姆定律，R6 上的電壓将為 4ΔV be，R8 上的電壓将為 6ΔV be 。因此，R6、R7 和 R8 的組合将 ΔV be乘以11。同時，Q14 具有自己的 V be。

LM185中的帶隙電路

将右側的電壓相加得出 V be 11ΔV be，其設計用于匹配 1.2 伏的溫度穩定帶隙電壓。因此，如果反饋輸入和 V 之間的電壓為 1.2 伏，則電路将達到平衡。

如果電壓不是 1.2 伏（上面有提過），Q10 和 Q11 将通過不同量的電流。由于電流鏡（Q12 和 Q13）試圖将相同的電流饋入 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，調整電壓，直到反饋電壓恢複符合要求。因此，即使溫度發生變化，電路也能保持所需的電壓穩定。

文章有點長，雖然按照現代的标準， LM185 不包含那麼多的組件，但它提供了一個穩定、穩壓的電壓基準。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節器的原理。

以上就是今天的分享，希望大家能多多支持我呀。

圖片來源于小紅書

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!