Хотели ли вы когда-нибудь заняться реверс-инжинирингом аналоговой микросхемы по фотографии кристалла? Хотели понять, что находится внутри «чёрного ящика» интегральной схемы? В этой статье я расскажу, как проводил реверс-инжиниринг на примере микросхемы FM-радиоприёмника Philips TDA7000. Эта микросхема была первым FM-радиоприёмником «на одном чипе».^{(примеч. 1)} Её спроектировали в 1977 году — в эпоху крупных транзисторов и одного слоя металлизации, — поэтому её гораздо проще изучать, чем современные микросхемы. Тем не менее TDA7000 — совсем не примитивная микросхема, в ней более сотни транзисторов. Внутри есть типичные аналоговые узлы — дифференциальные усилители, токовые зеркала, — а также более редкие схемы, например смесители на ячейке Гилберта.

На приведённой выше фотографии показан кремниевый кристалл TDA7000; на ней я подписал основные функциональные блоки и некоторые интересные компоненты. По периметру кристалла расположены 18 контактных площадок: к ним тонкие золотые бондинг-провода подключают выводы корпуса интегральной схемы. В этом чипе кремний выглядит зеленоватым, а в местах, где он «легирован» примесями для изменения своих свойств, заметны немного разные оттенки — серый, розовый и желтовато-зелёный. Внимательно изучая рисунок легирования, можно увидеть транзисторы, резисторы и другие микроскопические элементы, из которых и состоит микросхема.

Самая заметная часть кристалла — это металлические проводники, белёсые «крапчатые» линии, соединяющие кремниевые структуры. Слой металлизации отделён от лежащего под ним кремния изолирующим оксидным слоем, поэтому металлические линии могут без проблем проходить над другими участками схемы. В местах, где металлический провод соединяется с кремнием, виден небольшой белый квадратик; это отверстие в оксидном слое, через которое металл контактирует с кремнием.

В этой микросхеме лишь один слой металлизации, поэтому её изучать намного проще, чем современные чипы с десятком и более слоёв металла. Но для разработчиков это, наоборот, усложняло задачу: пришлось прокладывать проводники так, чтобы избегать пересечений. На фотографии кристалла выше видно, как дорожки извиваются вокруг схемы в центре, идут окольными путями, потому что прямой маршрут перекрыт. Позже я расскажу о некоторых приёмах, которые конструкторы использовали, чтобы сделать такую топологию рабочей.

NPN-Транзисторы

Транзисторы — ключевые элементы микросхемы, они работают как переключатели, усилители и другие активные устройства. В то время как современные интегральные схемы изготавливаются на МОП-транзисторах, ранние микросхемы, такие как TDA7000, строились на биполярных транзисторах: NPN- и PNP-транзисторах.

На фотографии ниже показан NPN-транзистор в TDA7000 таким, как он выглядит на кристалле. Разные оттенки соответствуют областям кремния, легированным различными примесями, формируя области N- и P-типа с разными электрическими свойствами. Белые линии — это металлические проводники, подключённые к коллектору (C), эмиттеру (E) и базе (B) транзистора. Под фотографией кристалла приведён поперечный разрез, показывающий, как устроен транзистор. Область под эмиттером образует «сэндвич» N–P–N, который и определяет NPN-транзистор.

Части NPN-транзистора можно опознать по внешнему виду. Эмиттер — это компактный участок, окружённый сероватым кремнием области базы. Коллектор крупнее и отделён от эмиттера и базы, иногда на заметном расстоянии. На других микросхемах цвета могут выглядеть иначе, но физические структуры будут похо��и. Важно, что хотя концептуально база находится «посередине», физически она не всегда расположена строго в центре.

Транзистор окружён желтовато-зелёной рамкой из кремния P+ типа; эта рамка — важная часть структуры, потому что она изолирует транзистор от соседних транзисторов.^{(примеч. 2)} Такая изоляционная рамка полезна при реверс-инжиниринге, потому что по ней можно увидеть границы между транзисторами.

PNP-транзисторы

Можно было бы ожидать, что PNP-транзисторы будут устроены так же, как NPN, только с обменом ролями областей N и P. Но по целому ряду причин PNP-транзисторы имеют совсем другую конструкцию. Они состоят из круглого эмиттера (P), окружённого кольцевой базой (N), которую в свою очередь окружает коллектор (P). Так формируется P–N–P-«сэндвич» в горизонтальном (латеральном) направлении, в отличие от вертикальной структуры NPN-транзистора. В большинстве микросхем различить NPN- и PNP-транзисторы довольно просто: NPN обычно прямоугольные, а PNP — круглые.

На схеме выше показан один из PNP-транзисторов в TDA7000. Как и у NPN-транзистора, эмиттер — это компактный участок. Коллектор образован серым кремнием p-типа; для сравнения, база NPN-транзистора тоже выполнена из серого кремния p-типа. Кроме того, в отличие ��т NPN-транзистора, контакт базы у PNP-транзистора расположен на расстоянии, а контакт коллектора — ближе. (Причина в том, что большая часть кремния внутри изолирующей рамки имеет n-тип проводимости. В PNP-транзисторе эта область подключена к базе, тогда как в NPN-транзисторе — к коллектору.)

Оказывается, что по причинам, связанным с физикой полупроводников, PNP-транзисторы работают хуже, чем NPN-транзисторы,^{(примеч. 3)} поэтому в большинстве аналоговых схем используют именно NPN-транзисторы и прибегают к PNP только там, где без них не обойтись. Например, в TDA7000 более ста NPN-транзисторов, но всего девять PNP-транзисторов. Соответственно, дальше я буду в основном говорить про NPN-транзисторы.

Резисторы

Резисторы — важнейшие элементы аналоговых микросхем. На фотографии ниже показан зигзагообразный резистор в TDA7000, выполненный из серого кремния p-типа. Сопротивление пропорционально длине^{(примеч. 4)} поэтому резисторы большого номинала укладывают змейкой, чтобы уместить их в доступной области. Две красные стрелки указывают контакты между концами резистора и металлическими проводниками. Обратите внимание на область изоляции вокруг резистора — желтоватую рамку. Без этой изоляции два резистора (из p-кремния), встроенных в n-кремний, могли бы образовать паразитный PNP-транзистор.

К сожалению, резисторы в интегральных схемах обладают очень большой погрешностью: их номиналы могут отличаться от чипа к чипу до 50%. В результате аналоговые схемы обычно проектируют так, чтобы они зависели от отношений номиналов резисторов, которые внутри одного кристалла остаются достаточно стабильными. Кроме того, резисторы большого номинала занимают слишком много площади. Ниже мы рассмотрим несколько приёмов, которые позволяют уменьшить потребность в больших сопротивлениях.

Конденсаторы

Конденсаторы — ещё один важный элемент аналоговых схем. Конденсатор ниже — это «конденсатор на p–n-переходе», в котором в качестве конденсатора используется большой диод, включённый в обратном направлении. Розовые «зубчики» — это области кремния n-типа, встроенные в серый кремний p-типа. Вместе они образуют «гребёнчатый конденсатор»; такая топология максимизирует периметр структуры и тем самым увеличивает ёмкость. Чтобы создать обратное смещение, «зубцы» из n-кремния подключены к положительной шине питания через верхнюю металлическую полосу. Кремний p-типа подключён к остальной схеме через нижнюю металлическую полосу.

Как p–n-переход диода образует конденсатор? При обратном смещении диода контактная область между N- и P-кремнием становится «обеднённой», формируя тонкий изолирующий слой между двумя проводящими областями кремния. Поскольку изолятор между двумя проводниками образует конденсатор, диод в таком включении работает как конденсатор. Проблема в том, что ёмкость такого конденсатора зависит от напряжения: при изменении напряжения меняется толщина обеднённой области. Но, как мы увидим дальше, в контуре настройки TDA7000 это «недостаток» превращается в полезное свойство.

В других микросхемах конденсатор часто реализуют как металлическую пластину над кремнием, отделённую тонким слоем оксида или другого диэлектрика. Однако в технологическом процессе биполярных микросхем обычно не используется достаточно тонкий оксид, поэтому конденсаторы на p–n-переходах — распространённая альтернатива.^{(примеч. 5)} Конденсаторы на кристалле занимают много площади и при этом имеют относительно небольшую ёмкость, поэтому разработчики интегральных схем стараются по возможности обходиться без них. В TDA7000 есть семь встроенных конденсаторов, но большинство ёмкостей в этой схеме реализованы внешними конденсаторами: из 18 выводов микросхемы 12 используются только для подключения внешних конденсаторов к нужным точкам внутренней схемы.

Важные аналоговые схемы

Есть несколько типов схем, которые очень часто встречаются в аналоговых микросхемах. В этом разделе я разберу часть из них, но сначала дам сильно упрощённое объяснение работы NPN-транзистора — минимум, который нужно знать для реверс-инжиниринга. (PNP-транзисторы устроены похоже, только полярность напряжений и токов у них обратная. Поскольку в TDA7000 PNP-транзисторы используются редко, подробно на них останавливаться не буду.)

В транзисторе база управляет током между коллектором и эмиттером, позволяя транзистору работать как ключ или усилитель. В частности, если небольшой ток течёт с базы NPN-транзистора на эмиттер, через коллектор–эмиттер может протекать гораздо больший ток — возможно, в 100 раз больше.^{(примеч. 6)} Чтобы ток потёк, напряжение на базе должно быть примерно на 0,6 В выше напряжения на эмиттере. По мере дальнейшего роста напряжения на базе ток база–эмиттер растёт экспоненциально, а вместе с ним увеличивается и ток коллектор–эмиттер. (Обычно резистор не даёт базе подняться намного выше этих самых 0,6 В относительно эмиттера, так что токи остаются в разумных пределах.)

У схем на NPN-транзисторах есть несколько общих характерных черт. Когда тока базы нет, транзистор закрыт: на коллекторе высокий уровень, на эмиттере — низкий. Когда транзистор открывается, протекающий через него ток «тянет» напряжение коллектора вниз, а напряжение эмиттера — вверх. Поэтому в грубом приближении можно считать, что эмиттер даёт неинвертирующий выход, а коллектор — инвертирующий.

Полное поведение транзисторов намного сложнее. Прелесть реверс-инжиниринга в том, что я могу исходить из того, что схема уже работает: её разработчики учитывали эффект Эрли, паразитные ёмкости, β и прочие нюансы, а я могу этим пренебречь.

Эмиттерный повторитель

Одна из самых простых транзисторных схем — эмиттерный повторитель. В такой схеме напряжение на эмиттере «повторяет» напряжение на базе, оставаясь примерно на 0,6 В ниже. (Падение в 0,6 В часто называют «диодным» падением, потому что переход база–эмиттер ведёт себя как диод.)

Такое поведение объясняется работой петли обратной связи. Если напряжение на эмиттере становится слишком высоким, ток база–эмиттер уменьшается, а вместе с ним падает и ток через коллектор (из-за усиления транзистора). Меньший ток через резистор уменьшает падение напряжения на нём (по закону Ома), поэтому напряжение на эмиттере снижается. И наоборот, если напряжение на эмиттере слишком низко, ток база–эмиттер растёт, увеличивается ток коллектора, возрастает падение напряжения на резисторе — и напряжение на эмиттере поднимается. В итоге напряжение на эмиттере подстраивается так, чтобы схема пришла в устойчивое состояние; при этом эмиттер оказывается примерно на 0,6 В ниже базы.

Может возникнуть вопрос, зачем нужен эмиттерный повторитель. Хотя выходное напряжение получается меньше входного, транзистор способен отдать на выход гораздо больший ток. То есть эмиттерный повторитель усиливает слабый входной ток, превращая его в более мощный выходной ток. Кроме того, входная часть схемы оказывается изолированной от выходной, что предотвращает искажения и нежелательную обратную связь.

Токовое зеркало

В большинстве аналоговых микросхем широко используется схема под названием токовое зеркало. Идея проста: имея один известный ток, с помощью несложной транзисторной схемы можно «клонировать» несколько его копий — это и делает токовое зеркало.

В схеме ниже токовое зеркало реализовано на двух одинаковых PNP-транзисторах. Через правый транзистор протекает опорный ток. (В данном случае величину тока задаёт резистор.) Поскольку у обоих транзисторов одинаковые напряжения на эмиттерах и на базах, они выдают одинаковый ток, так что ток в левом плече (примерно) совпадает с опорным.^{(примеч. 7)}

Типичное применение токового зеркала — замена резисторов. Как уже упоминалось, резисторы внутри кристалла занимают много места. Поэтому, когда можно, выгоднее использовать токовое зеркало вместо нескольких резисторов. Кроме того, токовое зеркало относительно мало зависит от напряжений в разных ветвях, в отличие от резисторов. Наконец, изменяя размеры транзисторов (или используя несколько коллекторов разной площади), одно токовое зеркало может формировать несколько различных по величине токов.

TDA7000 использует токовые зеркала не так активно, как я ожидал, но несколько таких узлов в нём всё же есть. На фотографии кристалла выше показано одно из токовых зеркал, собранное на PNP-транзисторах с характерной круглой формой. Два важных признака помогут вам распознать токовое зеркало. Во-первых, у одного из транзисторов соединены база и коллектор; именно этот транзистор задаёт опорный ток. На фото это правый транзистор. Во-вторых, базы двух транзисторов соединены между собой. На снимке это неочевидно, потому что связь выполнена не металлом, а через сам кремний. Хитрость в том, что эти PNP-транзисторы находятся внутри одной и той же области изоляции. Если вспомнить поперечное сечение PNP-транзистора, видно, что весь объём кремния n-типа внутри «ванны» подключён к базе. Поэтому два PNP-транзистора в одной изолированной области имеют базы, невидимо соединённые друг с другом, даже если на уровне металлизации база выведена единственным контактом.

Источники и стоки тока

Аналоговым схемам часто требуется постоянный ток. Самый простой подход — использовать резистор: если на него подать постоянное напряжение, через него потечёт постоянный ток. Недостаток в том, что сама схема может менять напряжение, вызывая нежелательные колебания тока. Кроме того, чтобы получить небольшой ток (и снизить потребляемую мощность), резистор может потребоваться очень большого номинала, а значит — неудобно большого размера. Поэтому в микросхемах обычно используют специальный узел для задания тока. Такой узел называют «стоком тока» (current sink), если ток в него втекает, и «источником тока» (current source), если ток из него вытекает.

Во многих микросхемах в роли источника или стока тока выступает токовое зеркало. Однако в TDA7000 используется другой подход: транзистор, резистор и опорное напряжение.^{(примеч. 8)} Транзистор работает как эмиттерный повторитель и задаёт фиксированное напряжение на резисторе. По закону Ома это даёт фиксированный ток. Таким образом, схема «засасывает» строго определённый ток, величина которого задаётся опорным напряжением и сопротивлением резистора. За счёт низкого опорного напряжения удаётся использовать сравнительно небольшой резистор.

Дифференциальная пара

Если вы видите два транзистора с общим эмиттером, почти наверняка перед вами дифференциальный усилитель — самый распространённый двухтранзисторный подузел в аналоговых ИС.^{(примеч. 9)} Идея дифференциального усилителя в том, чтобы брать разность двух входных сигналов и усиливать именно её. Дифференциальный усилитель лежит в основе операционного усилителя (op-amp), компаратора и многих других схем. В TDA7000 несколько дифференциальных пар используются для усиления. Для фильтрац��и TDA7000 применяет ОУ, собранные на дифференциальных усилителях.^{(примеч. 10)}

На принципиальной схеме ниже показана простейшая дифференциальная пара. Сток тока внизу задаёт фиксированный ток I, который делится между двумя входными транзисторами. Если входные напряжения равны, ток делится поровну между двумя ветвями (I1 и I2). Но если одно из входных напряжений немного выше другого, соответствующий транзистор пропускает больше тока: его ветвь получает большую часть тока, а вторая — меньшую. Резисторы в каждой ветви преобразуют ток в напряжение; выход можно снимать с любой стороны. Небольшая разница на входах приводит к значительному изменению выходного напряжения, обеспечивая усиление. (Можно также использовать оба выхода как дифференциальный сигнал и подать его на следующую дифференциальную ступень для дополнительного усиления. Обратите внимание, что полярность в двух ветвях противоположна: когда напряжение в одной ветви растёт, в другой падает.)

На схеме ниже показано расположение дифференциальных усилителей, опорных источников напряжения, смесителей и токовых зеркал. Как видно, эти узлы очень широко используются в TDA7000.

Советы по восстановлению схемы микросхемы

Со временем я наработал несколько приёмов, которые помогают восстанавливать схему по кристаллу ИС. В этом разделе я опишу некоторые из них.

Во-первых, если есть возможность, начните с даташита. В случае TDA7000 в даташите и application note приведены подробная структурная схема и описание работы.^{(примеч. 21)} Иногда в даташит включают принципиальную схему микросхемы, но полагаться на неё вслепую не стоит: такие схемы часто упрощены. Кроме того, разные производители могут реализовывать один и тот же типовой номер совершенно по-разному. Полезными могут быть и патенты, но они могут заметно отличаться от реального продукта.

Сопоставление распиновки из даташита с контактными площадками на кристалле сильно упрощает реверс-инжиниринг. Площадки питания и земли обычно хорошо заметны: от них отходят толстые шины, идущие во все части микросхемы, как показано на фото ниже. Определив, где на кристалле питание и земля, остальные площадки можно пронумеровать по порядку, пользуясь даташитом. Убедитесь, что такое сопоставление выглядит разумным. Например, в даташите на TDA7000 указано, что между выводами 5 и 6, а также между выводами 13 и 14 есть специальная схема; на кристалле в этих местах действительно видно соответствующие диоды настройки и ВЧ-транзисторы. Во многих микросхемах выходные выводы можно узнать по крупным драйверным транзисторам рядом с площадкой, но для TDA7000 этот приём не срабатывает. И, наконец, учтите, что у микросхем могут быть тестовые площадки, которые не упомянуты в даташите. Например, у TDA7000 есть такая тестовая площадка (показана ниже); понятно, что это именно тестовая точка, потому что к ней не подключён бондинг-провод.

Определив площадки питания и земли, я сначала полностью обвожу на кристалле все цепи питания и земли. Это значительно упрощает понимание схемы и избавляет от раздражающей ситуации, когда долго ведёшь по кристаллу какой-нибудь «важный» сигнал, а в конце выясняется, что это просто земля. Обратите внимание, что у NPN-транзисторов часто множество коллекторов подключены к питанию, а эмиттеры — к земле, возможно через резисторы. Если вы видите обратную картину, скорее всего, вы перепутали местами питание и землю.

Для небольшой микросхемы вполне достаточно листа бумаги, чтобы набросать транзисторы и связи между ними. Но для крупного кристалла, по моему опыту, нужна более строгая организация, иначе легко потеряться в лабиринте из изогнутых проводников, похожих один на другой. Моё решение — пронумеровать каждый элемент и раскрашивать провода по мере того, как я их отслеживаю, как показано ниже. Для отрисовки принципиальной схемы я использую KiCad, сохраняя ту же нумерацию транзисторов. (Главное преимущество KiCad перед бумагой в том, что отдельные участки схемы можно перетасовывать, добиваясь более удобной компоновки.)

Гораздо эффективнее восстанавливать схему по кристаллу блок за блоком, а не гоняться за сигналами по всему чипу. Микросхемы обычно проектируют с учётом локальности, поэтому лучше избегать длинных «пробежек» по сигналам, пока вы не закончили разбирать один участок. Как правило, любая транзисторная схема должна быть подключена к питанию (если следовать по коллекторам) и к земле (если сле��овать по эмиттерам).^{(примеч. 11)} Замыкание цепи между питанием и землёй с большей вероятностью даст вам осмысленный функциональный блок, чем хаотичное отслеживание цепочек транзисторов. (Иными словами, до баз добирайтесь в последнюю очередь.)

Наконец, я считаю полезным использовать для непонятных транзисторных схем схемный симулятор вроде LTspice. Если поведение какого-то небольшого подузла неочевидно, я часто быстро набрасываю его модель и прогоняю симуляцию.

Как устроено FM-радио и микросхема TDA7000

Прежде чем объяснять, как работает микросхема TDA7000, немного поговорим о ЧМ (FM, Frequency Modulation — частотная модуляция). Допустим, вы слушаете рок на частоте 97,3 FM. Это число означает, что радиостанция передаёт сигнал на несущей частоте 97,3 мегагерца. Сам сигнал — скажем, песня Бейонсе — кодируется небольшими отклонениями частоты: при положительном значении сигнала частота чуть увеличивается, при отрицательном — немного уменьшается. На диаграмме ниже показано, как это выглядит: входной сигнал (красный) модулирует выходной. Имейте в виду, что на рисунке масштаб модуляции сильно преувеличен; на реальном сигнале её практически не видно, потому что радиопередача изменяет частоту максимум на ±75 кГц — это меньше 0,1% от несущей.

Исторический конкурент FM — это AM (Amplitude Modulation, амплитудная модуляция), где изменяется не частота, а высота сигнала, то есть его амплитуда.^{(примеч. 12)} Одно из преимуществ FM в том, что она лучше защищена от помех, чем AM: событие вроде удара молнии повлияет на амплитуду сигнала, но не изменит его частоту. Кроме того, FM-радио обеспечивает стереозвучание, тогда как AM передаёт моно, но это уже следствие того, как устроены радиостанции, а не фундаментальное свойство самих методов модуляции. (Микросхема TDA7000 стерео не поддерживает.^{(примеч. 13)} По ряду причин FM-станциям требуется более широкая полоса частот, чем AM, поэтому их размещают с шагом 200 кГц, тогда как AM-станции разнесены всего на 10 кГц.

FM-приёмник, такой как TDA7000, должен демодулировать радиосигнал, то есть восстановить переданный звуковой сигнал, превратив изменение частоты в изменение уровня сигнала. Демодулировать FM сложнее, чем AM, которую в буквальном смысле можно детектировать «кусочком камня» — сульфидом свинца в кристаллическом детекторе. Есть несколько способов построить FM-детектор; в этой микросхеме используется метод, называемый квадратурным детектором. Суть квадратурного детектора — в цепочке, которая сдвигает фазу сигнала, причём величина фазового сдвига зависит от частоты. Детектор сдвигает сигнал примерно на 90°, перемножает его с исходным сигналом, а затем сглаживает результат с помощью фильтра нижних частот. Если проделать это с синусоидой и точным сдвигом в 90°, результат окажется равен 0. Но поскольку фазовый сдвиг зависит от частоты, для более высоких частот сигнал смещается больше чем на 90°, а для более низких — меньше. В итоге результат оказывается примерно линейно связан с частотой: положительным для более высоких частот и отрицательным для более низких. Таким образом частотно-модулированный сигнал преобразуется в нужный звуковой сигнал.

Как и большинство радиоприёмников, TDA7000 использует метод, называемый супергетеродинным приёмом, который был изобретён примерно в 1917 году. Проблема в том, что FM-радиостанции работают в диапазоне частот от 88,0 до 108,0 МГц. Для микросхем такие частоты слишком высоки, с ними неудобно напрямую работать. Кроме того, сложно спроектировать систему, которая корректно обрабатывала бы столь широкий диапазон частот. Решение — перенести сигнал выбранной радиостанции на фиксированную, гораздо более низкую частоту. Эта частота называется промежуточной частотой. Хотя в большинстве FM-приёмников промежуточная частота равна 10,7 МГц, для TDA7000 это всё ещё слишком много, поэтому разработчики выбрали промежуточную частоту всего 70 килогерц. Это преобразование частоты и выполняется в супергетеродинном каскаде.

Например, вы хотите слушать радиостанцию на частоте 97,3 МГц. Настраивая приёмник на эту станцию, вы на самом деле настраиваете локальный гетеродин на частоту на 70 кГц ниже — в данном случае 97,23 МГц. Сигнал локального гетеродина и радиосигнал смешиваются путём их перемножения. При перемножении двух синусоид получаются две новые: одна на частоте, равной разности исходных частот, другая — на частоте их суммы. В нашем примере это 70 кГц и 194,53 МГц. Фильтр нижних частот (фильтр ПЧ) отсекает всё выше 70 кГц, оставляя только нужную радиостанцию, но уже на фиксированной и удобной для обработки низкой частоте. Остальная часть радиотракта затем оптимизируется под работу на частоте 70 кГц.

Умножитель на ячейке Гилберта

Но как именно перемножить два сигнала? Для этого используется схема, называемая ячейкой Гилберта.^{(примеч. 14)} Эта схема принимает два дифференциальных входа, перемножает их и выдаёт дифференциальный выход. Ячейку Гилберта непросто понять,^{(примеч. 15)} но на интуитивном уровне можно представить её как «стопку» дифференциальных усилителей, где ток направляется по одному из четырёх путей в зависимости от того, какие транзисторы открыты. Например, если оба входа A и B положительные, ток пойдёт через крайний левый транзистор, помеченный как «pos×pos». Аналогично, если оба входа A и B отрицательные, ток течёт через крайний правый транзистор, «neg×neg». Их выходы соединены, поэтому в обоих случаях формируется положительный выходной сигнал. Напротив, если один вход положительный, а другой отрицательный, ток идёт через один из средних транзисторов, формируя отрицательный выход. Поскольку такой умножитель корректно обрабатывает все четыре комбинации знаков на входах, его называют четырёхквадрантным умножителем. 

Хотя ячейка Гилберта в целом используется не так уж часто, в TDA7000 она применяется в нескольких узлах. Первый смеситель реализует супергетеродинный приём. Второй смеситель обеспечивает демодуляцию FM, перемножая сигналы в описанном выше квадратурном детекторе. Кроме того, в TDA7000 смеситель на ячейке Гилберта используется в корреляторе, который определяет, настроена ли микросхема на станцию или нет.^{(примеч. 16)} Наконец, ячейка Гилберта отключает звуковой сигнал, когда приёмник настроен неправильно. На кристалле ячейка Гилберта выглядит очень симметричной — это хорошо отражает её принципиальную схему.

Генератор, управляемый напряжением

Одна из самых хитрых частей конструкции TDA7000 — то, как ей удаётся работать с промежуточной частотой всего 70 килогерц. Проблема в том, что у вещательного FM-сигнала девиация частоты составляет 75 кГц, то есть несущая может отклоняться на ±75 кГц. Смеситель сдвигает частоту вещания до 70 кГц, но и эта сдвинутая частота будет гулять в ту же сторону и на ту же величину, что и исходный сигнал. Как вообще может существовать сигнал на 70 килогерцах, который при этом изменяется на 75 килогерц? Что происходит, когда частота как бы «уходит в минус»?

Решение состоит в том, что частота локального гетеродина (то есть частота, на которую настроено радио) постоянно подстраивается под изменения частоты передающей станции. Конкретно, изменение принимаемой частоты заставляет частоту локального гетеродина меняться, но только на 80% от этого изменения. Например, если принимаемая частота уменьшается на 5 Гц, частота локального гетеродина уменьшается на 4 Гц. Напомним, что промежуточная частота равна разности этих двух частот и формируется смесителем, поэтому она уменьшится всего на 1 Гц, а не на 5 Гц. В результате, когда частота вещания гуляет в пределах ±75 кГц, частота локального гетеродина меняется всего на ±15 кГц и никогда не «становится отрицательной».

Как же приёмник непрерывно подстраивает частоту? Базовая идея FM в том, что изменение частоты соответствует выходному звуковому сигналу. Поскольку выходной сигнал отслеживает изменение частоты, его можно использовать для управления частотой локального гетеродина с помощью генератора, управляемого напряжением (ГУН).^{(примеч. 17)} Для этого в схеме применяются специальные диоды-варикапы, ёмкость которых зависит от приложенного напряжения. Как уже говорилось выше, толщина обеднённой области p–n-перехода диода зависит от приложенного напряжения, поэтому и ёмкость этого диода меняется с напряжением. Как конденсатор он довольно далёк от идеала, но для подстройки частоты этого вполне достаточно.

На изображении выше показано, как эти диоды выглядят на кристалле. Они довольно крупные и расположены между двумя контактными площадками. У двух диодов чередующиеся «зубчики»; как описывалось ранее для «гребёнчатого конденсатора», это увеличивает периметр структуры и, соответственно, ёмкость. Слегка сероватая «фоновая» область — это кремний p-типа, от которого вправо уходит кремниевый управляющий проводник. (Изменяя напряжение на этом проводнике, мы изменяем ёмкость.) Области кремния n-типа находятся под металлическими «зубцами», образуя p–n-переходы диодов.

Важно помнить, что основная часть настройки приёмника выполняется внешним переменным конденсатором, который задаёт частоту в пределах от 88 до 108 МГц. Ёмкость варикапов обеспечивает лишь мелкую подстройку в пределах ±60 кГц. Поэтому варикапам достаточно вносить совсем небольшое изменение ёмкости.

ГУН и варикапы также будут подстраивать частоту, чтобы «зацепиться» за станцию, если расстройка умеренная, скажем, около 100 кГц. Но если промах по частоте велик — порядка 200 кГц, — у FM-детектора проявляется «боковая полоса», и ГУН может по ошибке зафиксироваться на этой боковой полосе. Это плохо, потому что боковая полоса слабая и нелинейная: приём получается плохим, с гармоническими искажениями. Чтобы избежать такого режима, коррелятор определяет, что расстройка слишком велика (то есть локальный гетеродин сильно ушёл от целевых 70 кГц), и вместо аудиосигнала подаёт белый шум. Пользователь по шуму понимает, что приёмник не настроен на станцию, и корректирует настройку, вместо того чтобы слушать искажённый звук и ругать радио.

Источник шума

Откуда приёмник берёт шумовой сигнал, чтобы подменить испорченное аудио? Шум генерирует схема, показанная ниже: она использует тепловой шум диодов, усиленный дифференциальным усилителем. Конкретно, каждая половина дифференциального усилителя подключена к двум транзисторам, включённым как диоды (используется переход база–эмиттер). Случайные тепловые флуктуации в этих транзисторах порождают небольшие колебания напряжения на обеих сторонах усилителя. Усилитель разгоняет эти флуктуации, формируя на выходе белый шум.

Приёмы топологии и необычные транзисторы

Поскольку в этой микросхеме всего один слой металлизации, разработчикам пришлось изрядно постараться, чтобы соединить все компоненты, не допуская пересечения проводников. Один из распространённых приёмов, упрощающих разводку, — «растянуть» эмиттер, коллектор и базу транзистора, чтобы проводники могли проходить над ним. Пример такого транзистора показан ниже. Обратите внимание: коллектор, база и эмиттер разнесены, и между коллектором и базой может пройти один провод, а между базой и эмиттером — ещё два. Кроме того, конфигурация транзистора может быть р��зной: у этого база находится посередине, тогда как у многих других по центру располагается эмиттер. (Разместить по центру коллектор нельзя, потому что база должна примыкать к эмиттеру.)

Фотография кристалла ниже иллюстрирует ещё несколько приёмов разводки. На этом фрагменте видно один коллектор, три эмиттера и четыре базы, но транзисторов тут три. Как так получается? Во-первых, все три транзистора находятся в одной и той же области изоляции, то есть разделяют одну «ванну» из кремния n-типа. Если вернуться к поперечному сечению NPN-транзистора, видно, что эта ванна подключена к коллекторному контакту. Значит, все три транзистора используют один общий коллектор.^{(примеч. 18)}

Во-вторых, две базы слева подключены к одной и той же области серого кремния p-типа. То есть два базовых контакта фактически соединены и работают как одна общая база. Другими словами, это хитрый способ связать два базовых проводника через сам кремний, пропустив их под четырьмя мешающими сверху металлическими линиями. Наконец, у двух транзисторов справа эмиттер и база слегка разнесены, чтобы между ними мог пройти ещё один провод. При реверс-инжиниринге микросхем стоит обращать внимание на такие нетипичные варианты топологии транзисторов.

Когда все остальные приёмы уже не работали, разработчики могли использовать «подперемычку» (cross-under), чтобы провести провод под другими проводниками. Подперемычка по сути является резистором малого сопротивления, сформированным в кремнии n-типа (розовым на фото кристалла ниже). Так как сопротивление кремния намного выше, чем у металла, к таким подперемычкам прибегают только в крайнем случае. В TDA7000 я вижу всего две такие подперемычки.

Больше всего проблем при разборе доставила схема генератора шума, показанная ниже. Выделенный красным транзистор на первый взгляд выглядит просто: к его коллектору подключён резистор, а сам коллектор соединен с базой. Однако в действительности транзистор устроен совсем иначе: коллектор (красная стрелка) находится с другой стороны схемы и общий для ещё пяти транзисторов. Структура, которую я сначала принял за коллектор, на самом деле является лишь контактом на конце резистора, соединённым с базой.

Выводы

Микросхема TDA7000 чуть было вообще не вышла на рынок. Её придумали в 1977 году два инженера из исследовательских лабораторий Philips в Нидерландах. Хотя в 1970-е Philips была весьма инновационной компанией в области потребительской электроники, радиодепартамент Philips не проявил интереса к FM-радио на одном чипе. Однако один предприимчивый менеджер завода, действуя на свой страх и риск, собрал несколько радиоприёмников на этих микросхемах и отправил их японским компаниям. Чип им очень понравился, и они заказали миллион штук, тем самым убедив Philips запустить микросхему в продажу.

TDA7000 стала серийным продуктом только в 1983 году — через шесть лет после создания — и, по некоторым оценкам, сейчас продано уже более 5 миллиардов таких микросхем.^{(примеч. 19)} В числе прочего, этот чип позволил встроить FM-радио в наручные часы, используя провод наушников в качестве антенны. Поскольку TDA7000 радикально упрощала конструкцию радиоприёмника, она стала популярна и среди радиолюбителей: журналы для любителей публиковали схемы, а саму микросхему можно было купить в магазинах Radio Shack.^{(примеч. 20)}

Зачем вообще делать реверс-инжиниринг такой микросхемы, как TDA7000? В данном случае я отвечал на вопросы для выставки IEEE, посвящённой микросхемам, но даже когда практической пользы немного, мне просто нравится разбирать логику, скрытую за загадочными рисунками на кристалле. Кроме того, TDA7000 — очень удобный объект для реверс-инжиниринга: у неё крупные элементы топологии, за которыми легко следить, и при этом внутри много разных схем. Поскольку в чипе больше сотни транзисторов, разумно сначала попрактиковаться на более простой микросхеме, но TDA7000 — отличный тренировочный образец, если вы хотите прокачать свои навыки реверс-инжиниринга. Если хотите свериться с результатом, мою схему TDA7000 можно посмотреть здесь; точность 100% я не обещаю :-) В любом случае надеюсь, что вам было интересно заглянуть в мир реверс-инжиниринга.

Примечания и ссылки (осторожно, много текста)

1. Первым «радио на одном чипе», вероятнее всего, был Ferranti ZN414 (1973 год), реализующий приёмник AM. AM-приёмник значительно проще, чем FM-приёмник (по сути, вам достаточно диода), что и объясняет, почему AM-чип ZN414 появился на десятилетие раньше, чем FM-чип TDA7000. Как говорилось в статье от 1973 года: «В большинстве AM-приёмников так мало транзисторов, что производители устройств не видят особого смысла разрабатывать новые конструкции на интегральных схемах только ради ещё большего снижения и без того невысокой стоимости полупроводниковых компонентов». У ZN414 всего три вывода, а корпус — пластиковый, похожий на корпус обычного транзистора. Внутри ZN414 всего 10 транзисторов, тогда как в TDA7000 их примерно 132. 

2. Транзисторы изолированы P+-областью, которая их окружает. Поскольку эта область подключена к земле, её потенциал ниже, чем у соседних N-областей. В результате граница p–n между областями транзисторов работает как p–n-переход, смещённый в обратном направлении, и ток через неё не течёт. (Чтобы ток пошёл, область P должна быть положительной, а область N — отрицательной.)

Изобретение этого метода изоляции стало ключевым шагом на пути к практическим интегральным схемам. В ранних ИС разные области просто физически разделяли, а промежутки заливали непроводящим эпоксидным компаундом. Такой технологический процесс был и сложным, и ненадёжным. 

3. NPN-транзисторы работают лучше, чем PNP-транзисторы, из-за особенностей физики полупроводников. В NPN-транзисторах ток в основном переносят электроны, тогда как в PNP-транзисторах ток переносят «дырки» — положительно заряжённые «отсутствия электронов». Оказывается, электроны в кремнии движутся лучше, чем «дырки» — их подвижность выше.

Кроме того, латеральная конструкция PNP-транзистора даёт худшие характеристики по сравнению с вертикальной конструкцией NPN-транзистора. Почему бы просто не поменять местами P- и N-области и не сделать вертикальный PNP-транзистор? Проблема в том, что легирующие примеси не взаимозаменяемы: бор используют для получения кремния p-типа, но он слишком быстро диффундирует и недостаточно хорошо растворяется в кремнии, чтобы получить качественный вертикальный PNP-транзистор. (Подробнее см. стр. 280 книги «The Art of Analog Layout».) Поэтому интегральные схемы проектируют так, чтобы по максимуму использовать NPN-транзисторы вместо PNP. 

4. Сопротивление кремниевого резистора пропорционально его длине, делённой на ширину. (Это логично: увеличение длины эквивалентно включению резисторов последовательно, а увеличение ширины — параллельно.) При делении длины на ширину единицы измерения сокращаются, поэтому сопротивление кремниевого слоя описывают любопытной величиной «ом на квадрат» (Ω/□). (Если резистор имеет длину 5 мм и ширину 1 мм, можно считать, что он состоит из пяти «квадратов», соединённых цепочкой; то же самое верно для размеров 5 мкм на 1 мкм. В обоих случаях сопротивление будет одинаковым.)

В схемах TDA7000 в даташите указаны несколько значений резисторов. Измерив соответствующие им резисторы на кристалле, я оценил удельное сопротивление слоя примерно как 200 Ом на квадрат (Ω/□).

5. Более подробно о конденсаторах на p–n-переходе см. The Art of Analog Layout, стр. 197. 

6. Может возникнуть вопрос, почему используются именно названия «эмиттер» и «коллектор» — ведь ток, кажется, течёт от коллектора к эмиттеру, то есть «как будто наоборот». Причина в том, что в NPN-транзисторе эмиттер действительно «излучает» электроны, они текут к коллектору, а коллектор их «собирает». Путаница возникла из-за того, что Бенджамин Франклин когда-то условно принял направление тока «от плюса к минусу». К сожалению, этот «условный ток» течёт в сторону, противоположную реальному движению электронов. В PNP-транзисторе, напротив, ток переносят «дырки» — отсутствие электрона с положительным зарядом. Положительно заряженные «дырки» движутся от эмиттера PNP-транзистора к коллектору, так что направление движения носителей заряда совпадает с направлением «условного тока», и названия «эмиттер» и «коллектор» там уже интуитивно выглядят более логичными. 

7. Простейшая схема токового зеркала не всегда даёт нужную точность. В TDA7000 точность токовых зеркал повышают за счёт резисторов вырождения в цепи эмиттера. В других микросхемах для этого используют дополнительные транзисторы; примеры таких схем можно найти здесь. 

8. Опорные напряжения формируются вариантами приведённой ниже схемы, где выходное напряжение задаётся номиналами резисторов. Подробно: нижний транзистор включён как диод и даёт падение напряжения 0,6 В. Поскольку верхний транзистор работает как эмиттерный повторитель, его база «должна» находиться на уровне 1,2 В. Резисторы образуют цепь обратной связи по базе: ток I подстраивается до тех пор, пока падение напряжения на R1 не обеспечит на базе 1,2 В. Постоянный ток I через схему создаёт падение напряжения на R1 и R2, задавая тем самым выходное напряжение. (Эта схема не является стабилизатором напряжения; предполагается, что напряжение питания остаётся стабильным.)

Обратите внимание, что эта схема формирует опорное напряжение в диапазоне ��т 0,6 до 1,2 В. Без нижнего транзистора напряжение было бы меньше 0,6 В, что слишком мало для схемы стока тока. Более внимательный анализ показывает, что выходное напряжение зависит от соотношения сопротивлений, а не от их абсолютных значений. Это полезно, поскольку, как уже обсуждалось выше, абсолютные значения резисторов в ИС сильно «плавают», тогда как их отношения остаются значительно более стабильными. 

9. Дифференциальные пары также называют «длиннохвостыми парами». В книге Analysis and Design of Analog Integrated Circuits сказано, что дифференциальные пары — это «возможно, наиболее широко используемый двухтранзисторный подузел в монолитных аналоговых интегральных схемах» (стр. 214).

Заметьте, что транзисторы в дифференциальной паре по сути работают как эмиттерный повторитель, управляемый более высоким входным сигналом. То есть потенциал эмиттеров будет на 0,6 В ниже того входа, у которого база выше. Это важно, потому что такой режим запирает второй транзистор с более низким напряжением на базе. (Например, если на одну базу подать 2,1 В, а на другую 2,0 В, можно было бы ожидать, что оба транзистора откроются. Но эмиттеры при этом принудительно устанавливаются на уровне 1,5 В (2,1 – 0,6). Напряжение база–эмиттер второго транзистора становится 0,5 В (2,0 – 1,5), чего уже недостаточно для его открытия.) 

10. Фильтры играют очень важную роль в TDA7000, и реализованы они на операционных усилителях. Подробности можно найти в application note, где описаны «фильтр нижних частот второго порядка по схеме Саллена — Ки», фильтр верхних частот первого порядка, активный всепропускающий фильтр и другие типы фильтров. 

11. Большинство транзисторных схем в итоге подключаются и к питанию, и к земле. Одно из исключений — выходы с открытым коллектором и другие узлы, где используется внешний подтягивающий резистор вне кристалла. 

12. В наши дни ещё одним конкурентом FM-радио являются спутниковые сервисы вроде SiriusXM. SiriusXM использует QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying, квадратурную фазовую манипуляцию), которая кодирует цифровой сигнал, представляя пары битов одной из четырёх возможных фазовых сдвигов.

13. FM-стерео передаётся очень изящным способом, обеспечивающим обратную совместимость с моно-FM-приёмниками. По сути, моно-сигнал — это сумма левого и правого каналов, то есть вы слышите оба канала вместе. Для стерео дополнительно передают разностный сигнал каналов: левый минус правый. Если прибавить его к моно-сигналу, получится чистый левый канал, а если вычесть — правый. Этот стереосигнал сдвигается вверх по частоте с помощью довольно хитрой схемы модуляции и занимает диапазон звуковых частот примерно от 23 до 53 кГц, тогда как моно-сигнал лежит в диапазоне от 0 до 15 кГц. (Важно: оба канала сначала объединяют в один сигнал звукового диапазона, а уже затем выполняют частотную модуляцию.) Моно-FM-приёмник использует фильтр нижних частот, чтобы отсечь стереосоставляющую и оставить только моно-канал. Стерео-FM-приёмник, наоборот, содержит схемы, которые возвращают стереосигнал обратно в низкий частотный диапазон, после чего его можно сложить или вычесть с моно-сигналом. Позднее появилась микросхема TDA7021T, поддерживавшая стереосигнал, хотя для формирования отдельных левого и правого каналов ей требовалась отдельная стереодекодирующая микросхема TDA7040T.

14. Некоторое время назад я писал о микросхеме аналогового умножителя Rockwell RC4200. В ней используется совершенно иной принцип, чем в ячейке Гилберта: по сути, умножение реализуется через сложение логарифмов. 

15. Подробное объяснение работы ячейки Гилберта можно найти в материале Gilbert cell mixers.

16. Коррелятор в TDA7000 определяет, правильно ли настроено радио. Идея в том, чтобы перемножить сигнал с самим собой, но задержанным на половину периода (180°) и инвертированным. Если сигнал «хороший», оба сигнала совпадают по форме, и произведение получается устойчиво положительным. Если же частота настройки ушла, задержка уже не соответствует половине периода, сигналы не совпадают, и среднее значение произведения падает. Аналогично, если сигнал сильно зашумлён, формы не совпадают, и результат корреляции тоже будет низким.

Если приёмник настроен неправильно, звук отключается: коррелятор формирует управляющий сигнал приглушения. Конкретно, при корректной настройке вы слышите аудиовыход, а при расстройке вместо него подаётся сигнал белого шума, служащий указанием на то, что настройка неверна. Приглушение реализовано на ячейке Гилберта, но в немного необычной конфигурации. Вместо дифференциальных входов аудиосигнал подаётся на одну входную ветвь, а белый шум — на другую. Управляющий сигнал mute подаётся на верхние транзисторы, выбирая либо аудио, либо белый шум. Условно это можно воспринимать как умножение на +1, когда вы слышите аудио, и умножение на −1, когда на выход подаётся шум.

17. Цепь, отслеживающая частоту, называется Frequency-Locked Loop (частотная автоподстройка, FLL); она аналогична Phase-Locked Loop (ФАПЧ, петля фазовой автоподстройки), за исключением того, что здесь не отслеживается фаза. 

18. Некоторые микросхемы действительно содержат транзисторы с несколькими коллекторами, как правило, это PNP-транзисторы в токовых зеркалах для формирования нескольких токов. Часто эти коллекторы имеют разную площадь, чтобы задавать разные токи. NPN-транзисторы с несколькими эмиттерами используются в логике TTL, а NPN-транзисторы с несколькими коллекторами применялись в Integrated Injection Logic — недолговечном семействе логики из 1970-х. 

19. История TDA7000 в основном опирается на статью в IEEE Spectrum «Chip Hall of Fame: Philips TDA7000 FM Receiver». Хотя в статье утверждается, что «было продано более 5 миллиардов микросхем TDA7000 и их вариантов», я отношусь к этому скептически, поскольку это больше, чем численность населения Земли на тот момент. Кроме того, подробный обзор TDA7000 на одной из специализированных страниц утверждает, что TDA7000 «попала лишь в очень небольшое число коммерчески выпускавшихся устройств».

20. TDA7000 продавалась в магазинах вроде Radio Shack; ниже — выдержка из каталога 1988 года.

21. TDA7000 очень хорошо задокументирована: существует даташит, application note, технический обзор, статья, а также патенты Нидерландов и США.

Фотография кристалла взята из проекта IEEE «Microchips that Shook the World», а историческая справка — из статьи «Chip Hall of Fame: Philips TDA7000 FM Receiver». На странице Cool386, посвящённой TDA7000, собрано большое количество информации; это полезный ресурс.

В application note приведена подробная функциональная схема, которая значительно упрощает реверс-инжиниринг:

Если вас интересуют аналоговые микросхемы, настоятельно рекомендую книгу «Designing Analog Chips», написанную Хансом Каменциндом, изобретателем знаменитой микросхемы таймера 555. Её можно найти в открытом доступе в виде PDF или приобрести в бумажном виде.

Читать другие выпуски:

• Исследование кремниевых кристаллов процессора Intel 386

• Невидимая оборона 386: как защищены входы и выходы процессора

• Реверс-инжиниринг π: как Pentium считал синусы быстрее всех

Если хочется глубже почувствовать, как устроены сигналы — не только в кремнии, но и в математике, — стоит взглянуть на частотные представления данных. Ближайший шаг в эту сторону — разбор Фурье- и вейвлет-подходов на открытом уроке 15 декабря. А если интереснее смотреть не на транзисторы, а на архитектуру вычислений, то 23 декабря будет разбор того, как реальная память и кэш-иерархия диктуют стиль эффективного кода — хороший контрапункт к тому, как физика диктует топологию микросхем.