 为探索模拟电路在硅片中的实现方式，对一个简单的可调节电压基准源TL431进行逆向分析。TL431的历史十分悠久，它于1978年问世，自那以后，它就成为众多设备中的关键部件。虽然下面芯片电路看似迷宫，但实际上该芯片相对简单，经过一番研究就能进行逆向工程。 TL431可调节电压基准源具有电压调节功能，精度典型为±1%，动态输出阻抗低。在开关电源里，它能提供反馈，以显示输出电压是过高还是过低。TL431借助一种名为带隙（bandgap）的特殊电路，可在较宽的温度范围内提供稳定的电压基准。下面为TL431功能框图，具备一个2.5V的基准源和一个比较器，不过查看其芯片就会发现，其内部结构与功能框图有很大的不同。  TL431中的元件如何集成到硅片上 由于TL431是一款相当简单的集成电路（IC），所以通过仔细观察其芯片顶层布局，就可理解其工作原理。本文将阐释晶体管、电阻器、保险丝和电容器是如何集成到芯片中的，然后对整个芯片进行逆向工程分析。 Part 1：元器件研究 1、芯片中不同类型晶体管的实现 该芯片使用NPN和PNP双极型晶体管，如果你学过电子学，可能见过类似下面这样的NPN晶体管示意图，图中显示了晶体管的集电极（C）、基极（B）和发射极（E）。在示意图中，晶体管呈现为夹在两层对称的N型硅之间的P型硅结构，这种N-P-N层结构就构成了NPN晶体管。但实际上，芯片中的晶体管看起来完全不是这样，基极甚至都不在中间位置。  下面这张照片展示的是TL431芯片上的一个晶体管。不同的粉色和紫色区域是经过不同掺杂处理的硅区，形成了N区和P区。而淡黄白色区域是位于硅片顶部的芯片金属层，这些金属层构成了连接集电极、发射极和基极的导线。  下图为上图的剖面图，大致展示了该晶体管的构造。它远不止是你在书本上看到的那种简单的N-P-N结构，但如果你仔细观察“E”下方的垂直剖面图，就能找到构成晶体管的N-P-N结构。发射极（E）导线连接到N⁺型硅。在其下方是连接基极（B）触点的P层，再下方是（间接）连接集电极（C）的N⁺层。该晶体管被一个P⁺环包围，从而与相邻元件隔离开来。由于TL431中的大多数晶体管都是这种结构的NPN晶体管，所以一旦知道要找什么，就很容易辨认出这些晶体管，并找到集电极、基极和发射极。  输出晶体管的布局和其他NPN晶体管有很大差异。这个晶体管是横向构造的，基极位于发射极和集电极之间。左边的金属连接着10个发射极（蓝色的N型硅），每个发射极都被作为基极的粉色P型硅（中间的导线）所包围。集电极（右边）有一个大的触点。发射极和基极的导线形成嵌套的“指状”结构。注意集电极的金属从上到下逐渐变宽，这是为了支持晶体管底部更高的电流。下面的图片展示了这个晶体管的细节。  TL431中的NPN输出晶体管比其他晶体管大很多，因为它需要承担该器件的全部电流负载。大多数晶体管工作在微安级电流，而这个晶体管却能支持高达100毫安的电流。为了支持这么大的电流，它的体积很大（占整个芯片面积的6%以上），并且与发射极和集电极之间有着很宽的金属连接。 PNP晶体管的布局与NPN晶体管截然不同，PNP晶体管由一个圆形的发射极（P型）组成，发射极被环形的基极（N型）环绕，而环形基极又被集电极（P型）环绕。下面的芯片照片展示了其中一个熔丝电路。有一个小电阻（实际上是两个并联电阻）与一个熔丝并联。正常情况下，熔丝会使电阻被旁路。在制造过程中，可以测量芯片的特性。如果需要更大的电阻，两个探针接触焊盘并施加高电流。这将熔断熔丝，使小电阻接入电路。这样，最终电路中的电阻就可以被轻微调整以提高芯片的精度。  2、芯片中的电阻的实现 电阻是像TL431这样的模拟芯片中的关键元件，它们是通过一长条形的掺杂硅来实现的。（在这个芯片中，看起来电阻使用的是P型硅。）通过使用不同长度的电阻材料来获得不同的电阻值：电阻与长宽比成正比。 下面的照片展示了芯片上的三个电阻。那三条长长的水平条带就是形成电阻的硅电阻材料。黄白色的金属导线从电阻上方穿过。注意金属层与电阻连接的方形触点。这些触点的位置控制着电阻的有效长度，从而控制电阻值。底部电阻的阻值稍大一些，因为其触点间距稍大。左上角的金属将上面两个电阻串联起来。  芯片中的电阻容差非常差——由于制造工艺的差异，不同芯片之间的电阻可能会有20%的变化。对于像TL431这样的精密芯片来说，这显然是个问题。出于这个原因，TL431被设计成重要的参数是电阻的比率，特别是R1、R2、R3和R4。只要电阻都按相同的比率变化，它们的确切数值就不太重要。芯片减少变化影响的第二种方式是在芯片布局方面，电阻以相同宽度的平行条带布局，以减少硅电阻中任何不对称性的影响。电阻也被放置得彼此靠近，以尽量减小芯片不同部分之间硅特性的任何变化。下一部分将展示在芯片封装之前如何调整电阻（即Trim），以微调芯片的性能。 3、用于调整电阻的硅熔丝 TL431为了确保制造的芯片良率，设计了用于调整电阻的熔丝。在芯片制造过程中，可以熔断这些熔丝来调整电阻，通过Trim提高芯片的精度来提升芯片的良率。 下面的芯片照片展示了其中一个熔丝电路。有一个小电阻（实际上是两个并联电阻）与一个熔丝并联。正常情况下，熔丝会使电阻被旁路。在制造过程中，可以测量芯片的特性，如果需要更大的电阻，两个探针接触焊盘并施加高电流熔断熔丝，使小电阻接入电路。这样，最终电路中的电阻就可以被轻微调整以提高芯片的精度。  4、芯片中的电容器的实现 TL431内部包含两个电容器，并且它们的实现方式非常不同。第一个电容器（在TLR431A字样下方）是由一个反向偏置的二极管（红色和紫色条纹）形成的。反向偏置二极管的结具有电容，可用于形成一个电容器这种类型电容器的一个局限性是电容会随电压变化，因为结的宽度会改变。  第二个电容器的形成方式完全不同，更像是一个具有两个极板的传统电容器。没有太多可看的地方：它有一个大的金属极板，下方的N⁺硅作为第二个极板。这个电容器约占芯片面积的14％，表明在芯片中电容器非常低效地占用空间。http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl431.pdf表明这些电容器容值均为20pF。  Part 2：TL431的反向提图 在分析完TL431芯片上的典型元器件，下图展示了TL431芯片上的元器件标注，以便与下方的原理图相对应。  芯片的三个引脚分别连接到“ref”、“anode”和“cathode”焊盘。芯片有一层金属（呈黄白色），用于连接各个元件。  注：在上面的原理图中，电阻是以一个未知的比例因子R来表示的。 Part 3：TL431的工作原理分析 1、温度补偿带隙电压基准 查看芯片内部结构可知，晶体管Q5的发射极面积是Q4的8倍，所以这两个晶体管受温度的影响不同。这些晶体管的输出由R2、R3和R4按照正确的比例组合，从而抵消温度的影响，形成一个稳定的基准。 2、内部信号传输 经温度稳定的带隙产生的电压被送入比较器，比较器的输入为Q6和Q1，Q8和Q9驱动比较器，比较器的输出经过Q10来驱动输出晶体管Q11。 附反向的版图  |
