如何逆向工程模拟芯片：TDA7000 FM收音机接收器

# 如何逆向工程模拟芯片：TDA7000调频收音机接收器 来源：http://www.righto.com/2025/08/reverse-engineering-analog-TDA7000.html 你是否曾想通过对芯片照片进行逆向工程来理解模拟芯片？想过了解集成电路这个“黑盒子”内部有什么吗？在这篇文章中，我将以飞利浦TDA7000调频收音机接收器芯片为例，解释我的逆向工程过程。这款芯片是首个单片调频收音机接收器¹（http://www.righto.com/2025/08/reverse-engineering-analog-TDA7000.html#fn:first-radio）。它设计于1977年——那个晶体管尺寸较大且只有单层金属布线的时代——因此比现代芯片更容易观察。尽管如此，TDA7000仍是一颗非平凡的芯片，拥有超过100个晶体管。它包括常见的模拟电路，如差分放大器和电流镜，以及更冷门的电路，如吉尔伯特混频器。 （图片：TDA7000芯片照片，标注了主要功能模块。点击此图或任何其他图片可查看大图。芯片照片来自IEEE“改变世界的微芯片”展览页面。）（https://static.righto.com/images/tda7000/die-labeled.jpg） TDA7000芯片照片，标注了主要功能模块。点击此图（或任何其他图片）可查看大图。芯片照片来自IEEE“改变世界的微芯片”展览页面（https://history.ieee.org/programs/ieee-global-museum/microchips-that-shook-the-world/）。 上方芯片照片显示了TDA7000的硅裸片；我已标注出主要功能模块和一些有趣的组件。芯片周围排列着18个焊盘：这些焊盘通过细小的金键合线连接到集成电路封装的引脚上。在这颗芯片中，硅片呈现绿色调，不同区域因掺杂杂质而显现略不同的颜色——灰色、粉色和黄绿色——这些杂质改变了硅的电学性质。仔细观察掺杂图案，就能揭示构成芯片的晶体管、电阻等微观元件。 裸片上最显眼的部分是金属布线，即斑驳的白线，它们连接着硅结构。金属层通过一层绝缘氧化物与下方的硅层隔离，使得金属线可以无问题地跨越其他电路。当金属线需要连接到底层硅时，会看到一个白色小方块；这个方块是氧化物层上的一个窗口，允许金属与硅接触。 （图片：TDA7000芯片的放大图，显示电路上方的金属布线。）（https://static.righto.com/images/tda7000/metal.jpg） TDA7000芯片的放大图，显示电路上方的金属布线。 这颗芯片只有单层金属，因此比拥有十几层甚至更多金属层的现代芯片更容易观察。然而，单层金属给设计人员带来了很大困难，他们需要布线且避免线路交叉。在上方芯片照片中，你可以看到金属线如何在中间电路中迂回曲折，绕远路而行，因为直线路径被阻挡了。稍后，我将讨论设计人员为使布局成功而采用的一些技巧。 ### NPN晶体管 晶体管是芯片中的关键元件，用作开关、放大器以及其他有源器件。现代集成电路采用MOS晶体管制造，而像TDA7000这样的早期芯片则采用双极型晶体管：NPN和PNP晶体管。下面的照片展示了TDA7000中一个NPN晶体管在芯片上的外观。不同深浅的区域是掺杂了不同杂质的硅区，形成具有不同电学性质的N型和P型区域。白色线条是连接到晶体管集电极(C)、发射极(E)和基极(B)的金属布线。在芯片照片下方，横截面图显示了该晶体管的构建方式。发射极下方的区域形成了定义NPN晶体管的N-P-N三明治结构。 （图片：一个NPN晶体管及其横截面，改编自芯片照片。N+和P+区域的掺杂浓度高于N和P区域。）（https://static.righto.com/images/tda7000/transistor-structure-npn.jpg） 一个NPN晶体管及其横截面，改编自芯片照片。N+和P+区域的掺杂浓度高于N和P区域。 NPN晶体管的各部分可以通过外观识别。发射极是一个紧凑的斑点，被基极区域的灰色硅包围。集电极较大，与发射极和基极分离，有时距离相当远。颜色在其他芯片中可能不同，但物理结构类似。注意，虽然基极在概念上位于中间，但在实际物理布局中往往并不居中。 晶体管由一圈黄绿色的P+硅边框包围；这个边框是结构的重要组成部分，因为它将晶体管与相邻的晶体管隔离²（http://www.righto.com/2025/08/reverse-engineering-analog-TDA7000.html#fn:isolation）。隔离边框对逆向工程很有帮助，因为它标明了晶体管之间的界限。 ### PNP晶体管 你可能以为PNP晶体管与NPN晶体管类似，只是N型和P型硅的角色互换。但由于多种原因，PNP晶体管的构造完全不同。它们由一个圆形的发射极(P)、一个环形基极(N)和一个环形集电极(P)构成。这在一个水平（横向）方向上形成了P-N-P三明治结构，不同于NPN晶体管的垂直结构。在大多数芯片中，区分NPN和PNP晶体管很容易，因为NPN晶体管是矩形的，而PNP晶体管是圆形的。 （图片：一个PNP晶体管及其横截面，改编自芯片照片。）（https://static.righto.com/images/tda7000/transistor-structure-pnp.jpg） 一个PNP晶体管及其横截面，改编自芯片照片。 上图展示了TDA7000中的一个PNP晶体管。与NPN晶体管一样，发射极是一个紧凑的斑点。集电极由灰色的P型硅构成；相比之下，NPN晶体管的基极则由灰色的P型硅构成。而且，与NPN晶体管不同，PNP晶体管的基极接触点在远处，而集电极接触点更近。（这是因为隔离边界内部的大部分硅是N型硅。在PNP晶体管中，这个区域连接到基极，而在NPN晶体管中，这个区域连接到集电极。） 由于半导体工艺的原因³（http://www.righto.com/2025/08/reverse-engineering-analog-TDA7000.html#fn:pnp），PNP晶体管的性能通常不如NPN晶体管，因此大多数模拟电路使用NPN晶体管，除非必须使用PNP晶体管。例如，TDA7000有超过100个NPN晶体管，但只有九个PNP晶体管。因此，我将重点讨论NPN晶体管。 ### 电阻 电阻是模拟芯片的关键元件。下面照片展示了TDA7000中一个蜿蜒曲折的电阻，由灰色的P型硅构成。电阻值与长度成正比⁴（http://www.righto.com/2025/08/reverse-engineering-analog-TDA7000.html#fn:resistance），因此大阻值电阻需要来回蛇形排列以适配可用空间。两个红色箭头指示电阻两端与金属布线的接触点。注意电阻周围的隔离区域，即黄绿色的边框。如果没有这种隔离，两个由P型硅制成的电阻被N型硅包围，可能会形成非故意的PNP晶体管。 （图片：TDA7000芯片上的一个电阻。）（https://static.righto.com/images/tda7000/resistor.jpg） TDA7000芯片上的一个电阻。 不幸的是，集成电路中的电阻非常不精确；不同芯片之间阻值可能相差50%。因此，模拟电路通常设计成依赖于电阻值的比例，而同一芯片内的比例相当恒定。此外，大阻值电阻体积很大且不便。下面我们将看到一些减少对大电阻需求的技术。 ### 电容 电容是模拟电路中的另一个重要元件。下面这个电容是一个“结电容”，它利用一个大面积的反偏二极管作为电容。粉红色的“指状”区域是N型掺杂区，嵌入在灰色的P型掺杂硅中。这些指状结构形成了一个“梳状电容”；这种布局最大化了周长面积，从而增加了电容值。为了产生反偏，N型硅指通过上方的金属条连接到正电压源。P型硅通过下方的金属条连接到电路。 （图片：TDA7000中的一个电容。我已模糊了不相关的电路。）（https://static.righto.com/images/tda7000/capacitor.jpg） TDA7000中的一个电容。我已模糊了不相关的电路。 二极管结是如何形成电容的？当二极管反偏时，N型和P型硅之间的接触区域会“耗尽”，形成一层薄的绝缘区域，介于两个导电的硅区域之间。由于绝缘体置于两个导电表面之间就构成了电容，因此二极管起到电容的作用。二极管电容的一个问题是其电容值随电压变化，因为耗尽层的厚度随电压改变。但正如我们稍后将看到的，TDA7000的调谐电路将这个缺点变成了一种特性。 其他芯片通常会用一层金属覆盖在硅上，中间隔以薄氧化物或其他介质来制造电容。然而，双极型芯片的制造工艺通常不提供薄氧化物，因此结电容是一种常见的替代方案⁵（http://www.righto.com/2025/08/reverse-engineering-analog-TDA7000.html#fn:capacitors）。片上电容占用大量面积且电容值相对较小，因此集成电路设计人员尽量避免使用电容。TDA7000有七个片上电容，但该设计中大部分电容是较大的外部电容：芯片利用其18个引脚中的12个来将外部电容连接到内部电路的所需节点。 ## 重要的模拟电路 在模拟芯片中，有几种电路非常常见。在本节中，我将解释其中一些电路，但首先，我将对NPN晶体管做一个高度简化的解释，这是逆向工程所需的最低限度知识。（PNP晶体管类似，只是电压和电流的极性相反。由于PNP晶体管在TDA7000中很少见，我就不详细讨论了。） 在晶体管中，基极控制集电极和发射极之间的电流，使晶体管作为开关或放大器工作。具体来说，如果一个小电流从NPN晶体管的基极流向发射极，那么一个更大的电流（可能大100倍）可以从集电极流向发射极⁶（http://www.righto.com/2025/08/reverse-engineering-analog-TDA7000.html#fn:emitter）。要让电流流动，基极必须比发射极高约0.6伏。随着基极电压继续升高，基-射电流呈指数增长，导致集-射电流增加。（通常，电阻会确保基极不会比发射极高太多，比如超过0.6V太多，从而将电流控制在合理范围内。） （图片：NPN晶体管和PNP晶体管行为对比。）（https://static.righto.com/images/tda7000/transistor-diagram.jpg） NPN晶体管和PNP晶体管行为对比。 NPN晶体管电路有一些一般特性。当没有基极电流时，晶体管截止：集电极电压高，发射极电压低。当晶体管导通时，通过晶体管的电流会使集电极电压降低，发射极电压升高。因此，粗略地说，发射极是非反相输出端，集电极是反相输出端。 晶体管的完整行为要复杂得多。逆向工程的一个好处是，我可以假设电路能工作：设计人员需要考虑诸如厄尔利效应、电容和β值等因素，但我不必理会。 ### 射极跟随器 最简单的晶体管电路之一是射极跟随器。在这个电路中，发射极电压跟随基极电压，始终比基极低约0.6伏。（这0.6伏的压降也称为“二极管压降”，因为基-射结就像二极管一样。） （图片：射极跟随器电路。）（https://static.righto.com/images/tda7000/emitter-follower.jpg） 射极跟随器电路。 这种行为可以通过一个反馈回路来解释。如果发射极电压过高，从基极到发射极的电流就会下降，因此通过集电极的电流也会因晶体管的放大作用而下降。流经电阻的电流减小（根据欧姆定律）会降低电阻两端的电压，从而使发射极电压下降。反之，如果发射极电压过低，基-射电流就会增加，集电极电流也随之增加。这增加了电阻两端的电压，发射极电压上升。因此，发射极电压会进行调整，直到电路稳定；此时，发射极比基极低0.6伏。 你可能想知道射极跟随器有什么用。虽然输出电压较低，但晶体管可以提供大得多的电流。也就是说，射极跟随器将微弱的输入电流放大为更强的输出电流。此外，输入侧的电路与输出侧的电路相互隔离，避免了失真或反馈。 ### 电流镜 大多数模拟芯片都广泛使用一种称为电流镜的电路。其思路是：你从一个已知电流开始，然后可以通过一个简单的晶体管电路——电流镜——“克隆”出多个相同的电流副本。 在下面的电路中，电流镜由两个相同的PNP晶体管实现。参考电流流过右边的晶体管。（在此例中，电流由电阻设定。）由于两个晶体管具有相同的发射极电压和基极电压，它们提供的电流相同，因此左边的电流与参考电流近似匹配⁷（http://www.righto.com/2025/08/reverse-engineering-analog-TDA7000.html#fn:mirrors）。 （图片：使用PNP晶体管的电流镜电路。）（https://static.righto.com/images/tda7000/current-mirror.jpg） 使用PNP晶体管的电流镜电路。 电流镜的一个常见用途是替代电阻。如前所述，集成电路内部的电阻体积大且不便。只要可能，用电流镜代替多个电阻可以节省空间。此外，电流镜对不同支路的电压相对不敏感，而电阻则不然。最后，通过改变晶体管的尺寸（或使用不同尺寸的多集电极），电流镜可以提供不同的电流。 （图片：TDA7000芯片上的一个电流镜。）（https://static.righto.com/images/tda7000/current-mirror-die.jpg） TDA7000芯片上的一个电流镜。 TDA7000并没有像我预期的那样大量使用电流镜，但它有几个。上面的芯片照片显示了一个电流镜，由具有独特圆形外观的PNP晶体管构成。两个重要特征可以帮助你识别电流镜。首先，一个晶体管的基极和集电极相连；这是控制电流的晶体管。在照片中，右边的晶体管有此连接。其次，两个晶体管的基极相连。这一点在上图中并不明显，因为连接线...