Обратный инжиниринг микросхем – увлекательный и технически сложный процесс, погружающий инженера в «черный ящик» интегральных компонентов. Аналоговые чипы, несмотря на кажущуюся простоту, содержат огромное разнообразие схем, таких как дифференциальные усилители, зеркала тока и уникальные микшеры. Один из ярчайших примеров для изучения – FM-радиоприемник TDA7000 от Philips, выпущенный в конце 1970-х годов и ставший одним из первых имиплементированных на одном кристалле FM-радиоприемников. Его конструкция раскрывает множество тонкостей аналоговой электроники того времени и позволяет легко проследить структуру благодаря крупным элементам и единственному слою металлизации. Прежде чем перейти к тонкостям самого чипа, следует понять основы изготовления и структуры его компонентов.
TDA7000 построен на базе биполярных транзисторов – NPN и PNP типов, что характерно для того периода, когда MOS-транзисторы еще не получили широкого распространения в аналоговой электронике. NPN транзисторы имеют вертикальную структуру, где эмиттер, база и коллектор распложены последовательно по толщине кристалла. В результате такой компоновки коллектор занимает значительную площадь с хорошим изолирующим оксидным слоем сверху, что видно на фото кристалла как контрастные цветовые оттенки, соответствующие различным типам допирования. ПNP транзисторы, напротив, выполнены в виде кольцеобразных структур в горизонтальной плоскости, и их производительность ниже, поэтому на кристалле их значительно меньше. Фотографии кремниевого кристалла TDA7000 показывают цепочки из свыше сотни транзисторов, а также резисторы, выполненные из п-типового кремния с характерной змееобразной формой, и емкости, реализованные на основе структор с обратным смещением, именуемые переходными емкостями.
Интересной особенностью является использование всего одного слоя металлизации, что существенно упрощает визуальное изучение, но в то же время диктует определённые ограничения на разводку соединений. Из-за этого проводники на кристалле обходят друг друга извилистыми маршрутами, чтобы избежать пересечений, что отражает творческий подход инженеров-радиолюбителей и профессионалов индикаторной эпохи. Основной рабочий элемент, транзистор, в чипе используется не только как переключатель, но и как усилитель, причем в различных конфигурациях. Например, эмиттерный повторитель воспроизводит напряжение на эмиттере, отстающее от базы примерно на 0.6 вольта, таким образом изолируя входной сигнал от нагрузки и улучшая характеристики усиления.
Еще одной фундаментальной схемой является дифференциальный пар транзисторов, который принимает два входных сигнала и усиливает разницу между ними. Эта схема входит в основу операционных усилителей и используется в TDA7000 для различных функций, включая фильтрацию и усиление сигналов промежуточной частоты. Важное место в аналоговой схемотехнике занимают зеркала тока, обеспечивающие стабильные токовые источники и текущие уровни для целого ряда узлов. В TDA7000 зеркала реализованы с помощью пар PNP транзисторов, причем инженеры применяют хитрые приемы построения с общим изолирующим контейнером кремния, благодаря чему базовые цепи транзисторов связаны между собой не видимыми напрямую металлическими дорожками, а через интегральное внутри-полупроводниковое соединение. Это позволяет создавать точные соотношения токов и сокращать количество больших резисторов, которые в аналоговых микросхемах требуют много места.
Ключевую роль в FM-тюнере играет умножитель сигналов, выполненный по схеме Гилберта, представляющей собой четырехквадрантный умножитель на базе дифференциальных пар с переключением токов. С помощью такого умножителя происходит смешивание входного радиочастотного сигнала с сигналом гетеродина, что позволяет преобразовать частоту радиостанции к промежуточной более удобной – в случае TDA7000 всего 70 кГц. Эта сверхнизкая промежуточная частота значительно снижает требования к фильтрации и упрощает электронную часть приема, но требует аккуратной стабилизации и настройки генератора. Пломбина частоты реализуется в чипе с применением варикапных диодов — полупроводниковых диодов с изменяемой емкостью. Их емкость зависит от обратного напряжения, что позволяет жиствам тонировать частоту генератора электрониками, управляя емкостью и соответственно частотой.
Такой подход обеспечивает динамическое подстраивание частоты гетеродина и повышает устойчивость приема. Дополнительно встроенный коррелятор следит за правильностью настройки и при сбоях производит переключение в режим шума, оповещая пользователя о необходимости настройки радио. Примечательным элементом является схема генератора белого шума, созданная на основе термического шума в диодных структурах и усиления его дифференциальным каскадом. Такой шумовой сигнал скармливается при плохом приеме, чтобы не давать слушателю искаженный звуковой поток, вместо этого генерируя характерный белый шум. Обратный инжиниринг TDA7000 начинается с изучения, сопоставления функциональных блоков, найденных на кристалле, с документацией и даташитами.
Важным моментом является идентификация контактов и питание микросхемы, по которым ведется максимальное количество металлических линий от кристалла. Подробный анализ помогает выделить территории, выделенные под блоки гетеродина, усилителей, демодуляторов и генераторов, а затем с помощью трассировки связей восстанавливается структурная электрическая схема. Методика обратного инжиниринга предполагает внимательный анализ изображений кристалла в высоком разрешении, выделение контуров транзисторов, резисторов, конденсаторов и металлизационных соединений. Изоляционные границы между элементами служат ориентирами при разделении схемных блоков. Цветовые оттенки и текстуры в микрофотографиях дают представление о допировании и функции каждого участка.
Одновременно с изучением физической структуры полезно моделировать поведение маленьких фрагментов схем в специализированных программах симуляции, например, LTspice, чтобы понять динамику и особенности работы транзисторных каскадов. Главным преимуществом TDA7000 как объекта для изучения является его относительная простота по современным меркам: отсутствие нескольких слоев металла, крупный размер элементов, применение классических биполярных транзисторов. Тем не менее, в распоряжении инженеров того времени было огромное количество интересных решений и хитростей, позволяющих оптимизировать разводку цепей, повысить стабильность и снизить энергопотребление – все это раскрывается в процессе тщательного исследования. История TDA7000 полна интересных фактов: несмотря на раннее создание в 1977 году, производство началось лишь в 1983 году, после того как японские компании оценили потенциал этого чипа и обеспечили массовый спрос. Благодаря компактности и доступности TDA7000 стал популярным среди радиолюбителей и позволил встраивать FM-приемники даже в наручные часы.
