背景知識：一定的電子學(xué)基礎(chǔ)

這篇文章介紹 LMC555 定時器芯片是如何工作的，從芯片上微小的晶體管和電阻到構(gòu)成其的功能單元如比較器和鏡像電流源。廣泛使用的 555 時基集成電路被認為是世界上賣地最好的集成電路，自從 1970 年模擬電路大師Hans Camenzind 設(shè)計出該款芯片，自今已經(jīng)售出數(shù)十億片。LMC555 是一款低功率 CMOS 工藝 555芯片。不像傳統(tǒng)的雙極型三極管，CMOS 芯片是由低功耗 MOS 管構(gòu)成的。通過仔細地研究圖片模型，我們將理解它的工作原理。

下面的圖片是 LMC555 的硅基模型在顯微鏡下觀察得到的，主要功能單元均已標記（來自Zeptobars的照片）。模型非常小，僅僅 1mm見方。其中黑色的大圈是芯片與外部引腳的連接部分。一層薄金屬層將芯片的各個部分連接在一起。在圖中，金屬就是那些清晰可見的白色線條和區(qū)域。芯片上不同的部分被標記不一樣的顏色。芯片的不同部件是通過向硅基中摻入不同的雜質(zhì)來改變其特性而制成得。N型半導(dǎo)體具有過量的電子（使其為負），而P型半導(dǎo)體缺乏電子（使其為正）。硅基頂部不同顏色標記的是多晶硅線路。硅片和多晶硅是芯片的主體部分，其上是各種由金屬層連在一起的晶體管和電阻。

LMC555 各個功能塊

555 芯片是極其多用途的芯片，有著多達數(shù)百的不同應(yīng)用包括時基計時或是開關(guān)以及電壓控制的振蕩器和調(diào)節(jié)器。我將通過最簡單的電路振蕩器——以一個固定的頻率循環(huán)往復(fù)的電路，來解釋芯片的功能。

用下面的圖來說明555芯片用作振蕩器的內(nèi)部運作。外部連接的電容將不斷地充電、放電從而產(chǎn)生振蕩。在芯片內(nèi)部，三個電阻構(gòu)成分壓器產(chǎn)生相對供電電壓的1/3和2/3的參考電壓。外電容將在該范圍內(nèi)充、放電，進而產(chǎn)生振蕩，如左邊的圖片所示。更為詳細的是：電容器將通過外部電阻器緩慢充電（A段），直到其電壓達到2/3參考值，在B點，閾值（上）比較器切換觸發(fā)器關(guān)閉輸出，這將打開輸出晶體管，致使放電晶體管導(dǎo)通使電容緩慢放電。當電容電壓達到1/3參考電壓（D點）時，觸發(fā)下比較器連通，同時使觸發(fā)器和輸出處于通路，如此循環(huán)往復(fù)。電阻和電容的值決定計時（即周期），從微秒到數(shù)小時。

555 振蕩器工作原理

總的來說，555時基電路的關(guān)鍵部件是檢測電壓上下界的比較器，設(shè)置該界限的分壓器，記錄充放電狀態(tài)的觸發(fā)器以及放電晶體管。555時基電路還有2個上面尚未提及的針腳（置位和電壓控制端），它們是用于其他更復(fù)雜電路的。

像大多數(shù)集成電路一樣，CMOS 555定時器芯片由兩種類型的晶體管PMOS和NMOS構(gòu)成。相比之下，經(jīng)典的555定時器使用了舊技術(shù)的雙極型晶體管（NPN管和PNP管）。CMOS使用地非常廣泛，因為它的功率遠低于雙極型晶體管。CMOS晶體管可以非常密集地集成在芯片中，不會過熱，這就是為什么CMOS自20世紀80年代以來就統(tǒng)治了微處理器市場。盡管555不需要很多晶體管，但是低功耗仍然是一個優(yōu)勢。

下圖顯示了芯片中的 NMOS 晶體管，其截面如下。由于晶體管是由重疊層構(gòu)成的，因此模型圖有點難以理解，但橫截面應(yīng)該有助于說明。硅片的不同顏色表示已被摻雜以形成N和P區(qū)的區(qū)域。綠色矩形--硅上方的一層是多晶硅。白色的矩形是頂部的金屬層。電極是層之間的連接部分。

LMC5555 CMOS 定時芯片中的 NMOS 晶體管的結(jié)構(gòu)

MOS 晶體管可以被認為是基于柵極上的電壓來連接或斷開源極和漏極的開關(guān)。晶體管由已經(jīng)摻雜為負極（N）的兩個矩形的硅帶組成，嵌入在下面的P型硅基中。柵極由漏極與源極之間的部分和其表面的導(dǎo)電多晶硅層組成。柵極通過非常薄的絕緣氧化物層與下面的硅分離。如果在柵極加上電壓，則會產(chǎn)生電場，該電場會改變柵極之下的硅半導(dǎo)體的特質(zhì)，從而形成電流導(dǎo)通層。照片還顯示出金屬層連接到源極，以及“電極”，其穿過絕緣氧化物將硅層連接到金屬層。

第二種晶體管是PMOS，如下所示。PMOS晶體管在許多方面與NMOS相反;因此它們被稱為互補MOS管，就是CMOS中的?（互補）。PMOS管由嵌入在N型硅基中的P摻雜硅的源極和漏極構(gòu)成。當晶體管柵極上為低電壓時（與NMOS高電壓相反）導(dǎo)通，導(dǎo)致電流從源極流到漏極。連接源極、柵極和漏極的金屬層下面清晰可見，其上有通到底層的圓形通孔。（請注意，右側(cè)的圖不是橫截面，而是簡化的“俯視圖”。）在芯片模型圖片中，NMOS晶體管為藍色，柵極為綠色，PMOS晶體管為橙色，柵極為粉色。

LMC555 CMOS定時芯片中的NMOS晶體管的結(jié)構(gòu)，右側(cè)為簡化模型?

555 中的輸出晶體管遠遠大于其他晶體管，并且具有不同的結(jié)構(gòu)以產(chǎn)生高電流輸出。下面的照片顯示了一個輸出晶體管。注意到源極（外側(cè)）和漏極（中心）之間柵極的Z字形結(jié)構(gòu)。還可以看到，漏極的金屬層在右邊是窄的，并且隨著它離開晶體管而變寬，以便承載逐漸增加的電流。

LMC555 CMOS定時芯片中的大型NMOS輸出晶體管?

各種符號用于在原理圖中表示MOS晶體管;下圖顯示了其中的一些。在本文中，我使用的是突出顯示的那一組。

用于MOS晶體管的各種符號?

電阻是模擬電路的關(guān)鍵部件。不過，IC 中的電阻很大，且不準確;在兩片相同的芯片中，對應(yīng)的電阻的阻值可能相差50％。因此，模擬 IC 中，考慮的電阻的相對比例而不是絕對值。這樣設(shè)計，即使該阻值隨制造條件而變化，這些比率也幾乎保持恒定。

組成CMOS定時器中分壓器的電阻

上圖顯示了在芯片中組成分壓器的電阻。有六個 50kΩ 電阻串聯(lián)連接形成三個 100kΩ 電阻。電阻是淺白色的垂直矩形。在每個電阻器的末端，通孔和 P +硅阱（粉紅色方形）將電阻器連接到金屬層，進而將它們連接在一起。電阻本身可能是 P 摻雜硅。

為了減小電流，CMOS 芯片使用 100kΩ 電阻，遠大于雙極型 555 定時器中的 5kΩ 電阻。據(jù)說，555 芯片是以這三個 5K 電阻命名的，但其設(shè)計師卻說 555 只是 500 芯片系列中的任意數(shù)字。

在模擬 IC 中有一些非常常見的子電路，但是咋一看似乎很神秘。鏡像電流源便是其中之一。如果你看過模擬 IC 框圖，你可能已經(jīng)見到過下面的表示鏡像電流源的符號了，并想知道鏡像電流源是什么，以及為什么要使用它們。

鏡像電流源符號?

鏡像電流源的想法是如果有一個已知的電流，然后可以使用簡單的晶體管電路“克隆”多個電流副本。鏡像電流源的常見用途是代替電阻。如前所述，IC 內(nèi)不容易制造大電阻，且不準確。使用鏡像電流源還可以盡可能節(jié)省空間。此外，鏡像電流源產(chǎn)生的電流幾乎完全一樣，而不像兩個電阻產(chǎn)生的電流存在較大差異。

下面的電路將會解釋如何用三個相同的晶體管實現(xiàn)鏡像電流源。參考電流流經(jīng)右側(cè)的晶體管。（在這種情況下，電流由電阻設(shè)定）由于所有的晶體管都具有相同的發(fā)射極電壓和基極電壓，所以它們將產(chǎn)生相同的電流，因此左側(cè)的電流與右側(cè)的參考電流相匹配。為了獲得更大的靈活性，可以修改鏡像電流源中晶體管的相對尺寸，使鏡像電流大于或小于參考電流。CMOS 555芯片使用各種晶體管尺寸來控制電路中的電流。

由 PMOS 晶體管組成的鏡像電流源，左側(cè)兩個晶體管鏡像右側(cè)由電阻控制的電流

下圖顯的是 LMC555 芯片中的一個鏡像電流源，由兩個晶體管組成。每個晶體管實際上是并聯(lián)的兩個晶體管，這是芯片中的常見技巧，所以物理上來看有兩對晶體管。要看到晶體管有點困難，因為金屬層覆蓋其中的一部分，但希望這個描述是有意義的。從頂部開始，第一個晶體管所在的寬矩形構(gòu)成了源極，柵極1和漏極1。注意將金屬層連接到源極的通孔。下一個晶體管共享漏極1，接下來是第二個柵極1和源極。由于這兩個晶體管共享漏極，并且源極和柵極相互連接，所以兩個晶體管有效地形成一個較大的晶體管。同樣地，接下來的是并聯(lián)de兩個晶體管：源極，柵極2，漏極2。

LMC555 芯片中的兩對 PMOS 晶體管形成鏡像電流源

右側(cè)的原理圖顯示了如何將晶體管連接在一起作為鏡像電流源。如果仔細看左側(cè)照片，可以看到單個多晶硅條帶蛇形地來回形成所有的柵極，所以柵極是連接在一起的。在右側(cè)，上部金屬條將漏極1和柵極連接到電路的其余部分。下部金屬條連接漏極2。

要了解的第二個重要電路是差分放大電路，模擬IC中最常用的雙晶體管子電路。你可能想知道一個比較器如何比較兩個電壓，或運算放大器如何做兩個電壓相減。這些就是差分放大電路的功能。

差分放大電路的簡單示意圖

以上示意圖顯示了一個簡單的差分放大電路。底部的電流源提供固定負電流I，其在兩個輸入晶體管之間分開。如果輸入電壓相等，電流將分成兩個相等的支路（I和I）。如果其中一個輸入電壓比另一個高，相應(yīng)的晶體管將導(dǎo)通更多的電流，所以一個支路獲得更多的電流，另一個支路變得更小。小的輸入差異足以將大部分電流引導(dǎo)到“獲勝”支路，從而使比較器打開或關(guān)閉。芯片在兩個支路上使用鏡像電流源而不是電阻，其充當有源負載并增加放大倍數(shù)。

雖然 555 是模擬電路，但它包含一個數(shù)字觸發(fā)器來記住它的狀態(tài)。觸發(fā)器由反相器（簡單的邏輯電路將1變?yōu)?，反之亦然）構(gòu)成。555 使用標準 CMOS 反相器，如下圖所示。

CMOS 反相器的結(jié)構(gòu)：頂部的 PMOS 晶體管和底部的 NMOS 晶體管

反相器由兩個晶體管構(gòu)成。如果輸入為 0（即低電壓），則頂部的PMOS晶體管導(dǎo)通，將正電源連接到輸出端，產(chǎn)生1輸出；如果輸入為 1（高電壓），則底部的NMOS 晶體管接通，連接地端，產(chǎn)生0輸出。CMOS 的神奇之處是電路幾乎沒有能量消耗。電流不通過柵極（由于絕緣氧化物層），僅當輸出改變狀態(tài)時，唯一的功率消耗是微小的脈沖，以對導(dǎo)線形成的電容進行充電或放電。

下圖顯示的是觸發(fā)器。兩個反相器連接在一個回路中以形成鎖存器。如果頂部反相器輸出 1，則底部輸出 0，形成穩(wěn)定的循環(huán)。如果頂部反相器輸出 0，則底部輸出 1，如此形成穩(wěn)定的循環(huán)。

LMC555 CMOS 定時芯片中觸發(fā)器的電路圖

要更改存儲在觸發(fā)器中的值，只需將新值強制寫進入鎖存器，即可用強力重寫現(xiàn)有值。為此，底部的反相器是“弱”的，使用低電流晶體管。這允許置位端或復(fù)位端輸入使弱反相器過壓，并且鎖存器將立即翻轉(zhuǎn)到正確的狀態(tài)。R（復(fù)位）和S（置位）輸入來自比較器，并通過晶體管將鎖存器輸入為高或低。復(fù)位信號來自輸入引腳，并通過二極管將鎖存器輸入高電平;復(fù)位反相器的輸出電流由鏡像電流源控制。復(fù)位將S拉低，阻止S端矛盾的輸入。

常用的 555 定時器是在 1970 年設(shè)計的，而 CMOS 工藝（ICM7555）直到 1978 年才發(fā)布。本文中描述的 LMC555 在 1988 年左右出現(xiàn)，而模型是的 1996 年。

下面的圖像將同規(guī)模的經(jīng)典的 555 定時器（左）與 CMOS LMC555（右）進行比較。雖然雙極芯片由通過金屬層連接的硅構(gòu)成，但是 CMOS 芯片具有附加的多晶硅互連層，這使得芯片看起來上更加復(fù)雜。CMOS 芯片較小，并且在底部和右上方有很多未被使用的空間，因此可以做得更小。CMOS 晶體管比雙極晶體管復(fù)雜得多。除了輸出晶體管，雙極型晶體管都是簡單的獨立單元。相比之下，大多數(shù) CMOS 晶體管是由兩個或更多個并聯(lián)的晶體管構(gòu)成的。經(jīng)典 555 使用比 CMOS 555 更多的電阻，分別為16、4個。

?模型照片：同規(guī)模的555定時器（左）和CMOS 555定時器（右）?

可以從照片中看到 CMOS 芯片中的功能塊較小。常規(guī) 555中的最小線為 10-15μm，而這在 CMOS 芯片中為 6μm。更高級的芯片在 1996 年采用350nm 工藝（約17倍），因此 LMC555 無處不在 CMOS 技術(shù)的尖端。

這些芯片相比較，反映出 CMOS 的功耗優(yōu)勢。標準 555 定時器通常使用 3 mA 電流，而此 CMOS 工藝的僅使用 100μA（其他類型的低于5μA）。555 的輸入可以達到0.5μA，而 CMOS 版本的輸入使用非常低的10pA，相差四個數(shù)量級。較小的輸入“穿透”電流允許 CMOS 更長的延遲。

起初，芯片的照片看起來太過復(fù)雜。但仔細看看 LMC555 CMOS 定時器芯片的模型可以看出構(gòu)成電路的組件?？梢园?PMOS 和 NMOS 分別拿出來管，了解它們的原理以及如何組合到電路中，并了解整個芯片的工作原理。由于 CMOS 芯片具有經(jīng)典雙極555芯片中不存在的多晶硅層，因此需要更多的努力來了解 CMOS 芯片。但從根本上說，兩個芯片都使用類似的模擬功能塊：鏡像電流源和差分放大電路。如果你發(fā)現(xiàn)這個 CMOS 工藝的 555 芯片看起來很有趣，那么你還應(yīng)該看看我的經(jīng)典555芯片的拆卸。感謝Zeptobars的 CMOS 芯片的模型照片。

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馬云為達摩院3年投入1000億太多么？

今天云棲大會引起國人轟動的，是阿里CTO張建鋒發(fā)布三年投1000億進行基礎(chǔ)科學(xué)和顛覆式技術(shù)創(chuàng)新研究的“達摩院”計劃，達摩院由全球?qū)嶒炇?、高校?lián)合研究所及全球前沿創(chuàng)新研究計劃組成，研究領(lǐng)域主要涉及量子計算和機器學(xué)習(xí)等，涵蓋機器智能、智聯(lián)網(wǎng)、金融科技等多個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。

? ? ? ?馬云在演講里則吐露心聲說，“達摩院”將成為阿里巴巴留給世界最好的東西之一——即使有一天阿里巴巴不在了，“達摩院”還能繼續(xù)存在。除了“達摩院”之外，另外兩件最好的東西就是傳承商業(yè)智慧的湖畔大學(xué)，還有公益基金會。

? ? ? ?今天新智元頭條對阿里投1000億成立達摩院、馬云稱達摩院將比阿里活得更長做深度報道，讀者對達摩院的投資規(guī)模、名稱與理念都感到無比好奇和震撼，所以頭條發(fā)布才7個小時閱讀數(shù)就過了10萬+。今年新智元公眾號閱讀數(shù)過10萬+這是第3次，可以說是轟動產(chǎn)業(yè)界的報道。

? ? ? ? 細想馬云這一年來的言與行，的確可以感受到他在考慮更長遠的事。不僅是對自己生命的交代，而且也對阿里的企業(yè)基因延續(xù)做出重大戰(zhàn)略部署。

? ? ? ? 還記得他在深圳IT領(lǐng)袖峰會上擲地有聲那一句“So TM What”, 其實就流露出要超越AlphaGo，邁入機器智能新境界的壯志。這次云棲大會的主題'飛天.智能”不僅圍繞量子計算和人工智能等最前沿科技，還頗有佛教意味。飛天和達摩，代表著馬云的世界觀走入一個新境界。

? ? ? ? 湖畔大學(xué)也好、公益基金也罷，總是關(guān)于現(xiàn)世的一種安妥，更注重人脈、經(jīng)驗、知識的聚集，利益社會。這是馬云過去幾年人生布局中的境界，更接近儒家的“仁”。

? ? ? ? ?而飛天智能、全球達摩院的思想與實踐，貼近道家與佛家的哲學(xué)。馬云真正想明白了——阿里巴巴不能僅僅是在網(wǎng)上賣百貨，它必須給這個世界留下更多。馬云說：如果只是挖空心思賺錢，阿里巴巴就是一家沒有出息的公司。

? ? ? ?中金公司有一個數(shù)據(jù)表，阿里2016年的研發(fā)費用是138億元，研發(fā)費用率為14%——比華為略低一個百分點，但跟百度是相同的。（百度2016年的研發(fā)費用是101億元）而騰訊同期的研發(fā)費用為118億元，研發(fā)費用率為8%。那么，今天達摩院的宣言，其實意味著阿里未來3年的研發(fā)費用將躍升到年均300億元以上的規(guī)模，如果阿里真做相應(yīng)投入的話，研發(fā)費用率會大幅提升到此前的一倍以上。而阿里的研發(fā)費用率則會高居全球主要AI科技公司的榜首——甚至?xí)^研發(fā)費用率27%的英偉達和研發(fā)費用率達21%的科大訊飛。有人會說，阿里這是瘋了？其實即使阿里的研發(fā)費用每年倍增到300億元以上，仍然與亞馬遜和谷歌這類企業(yè)有差距，2016年亞馬遜的研發(fā)費用支出是1094億人民幣，而谷歌和微軟則分別達到948億元和815億元。阿里做為中國最有代表性的互聯(lián)網(wǎng)公司，把研發(fā)費用提升到與國際巨頭類似的水準，當然是向人工智能+技術(shù)升級的必然。即使這樣，阿里的年均研發(fā)支出仍然比華為少一半（華為2016年研發(fā)費用是638億元）。也就是說，讓我們震撼的阿里達摩院，其實只是阿里回歸到全球科技巨頭應(yīng)有的研發(fā)投入水平而已。我們應(yīng)該震撼的是，為什么中國公司投這么少錢在研發(fā)上面卻又還夢想領(lǐng)先全球科技。

? ? ? ?所以，今天馬云的演講會10萬+，產(chǎn)業(yè)界今天親眼目睹又一家中國互聯(lián)網(wǎng)巨頭走上“重度研發(fā)”的道路，大家知道百度已經(jīng)從戰(zhàn)略布局上All in AI。通過上面的表，我們可以清醒地看到在人工智能領(lǐng)域取得市場霸主地位例如像英偉達那樣市值過千億美元的全球領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)，無不付出了相當大的代價——研發(fā)是重中之重。15%甚至20%以上的研發(fā)費用率實屬正常，30%也不奇怪，來自中國的阿里畢竟要補課，而且，要追趕谷歌、亞馬遜這樣的公司，1000億并不一定就夠用。

? ? ? ?所以，馬云為達摩院付出1000億并不多，如果阿里的理想是成為偉大的科技公司，這其實是應(yīng)有的代價。馬云認識到金錢和時間，都是用于置換未來AI時代主導(dǎo)權(quán)的資源，不適時起跑，就會被競爭對手丟下。

? ? ? ?此外，達摩院的成立代表著馬云的眼光已經(jīng)從未來幾年的財務(wù)報表，跳到阿里應(yīng)該給世界留下什么美好的東西——這樣究竟的課題。天不生仲尼，萬古如長夜。自從儒家統(tǒng)治中國以后，中國文化傳統(tǒng)重現(xiàn)世，重社會，重家族責(zé)任的特征一直烙印在社會的方方面面，企業(yè)追逐短期效益，投機心態(tài)等等都是由此而來。而對未知的異構(gòu)世界、非人類的機器智能、對真理、對永恒自然規(guī)律的追尋一直欠缺，這恐怕是中國企業(yè)研發(fā)費用率低的深層基因。

? ? ? ?好在馬云今天認識到挖空心思賺錢并不是阿里的使命，作為一家偉大的公司，應(yīng)該把探索更美好的新世界作為自己的使命。并且就像谷歌和亞馬遜這樣的偉大公司一樣，我們中國公司必須付出每年成千億的研發(fā)費用，去承擔(dān)對未來世界的責(zé)任，給未來留下我們最美好的東西。

? ? ? ?最美好的東西不是錢，而是對新世界的探索與擔(dān)當。我想，這是今天達摩院獲取10萬+閱讀的真正理由。我們中國人，中國企業(yè)，到了真正實踐偉大、追求永恒的時候。