对任天堂游戏男孩色彩中的音频芯片进行逆向工程

任天堂游戏男孩颜色是一款手持游戏机，于1998年发布。它使用音频放大器芯片来驱动内部扬声器或立体声耳机。在这篇博客文章中，我从照片和解释它的工作原理对这个芯片进行了逆向工程。它本质上是三个功率运算放大器，里面有一些有趣的电路。

任天堂游戏男孩色彩中音频放大器芯片的模具照片。点击这张(或任何其他图片)可以看到更大的图片。照片由约翰·麦克马斯特提供。

上面的照片显示了芯片在显微镜下的硅晶片。白线是芯片的金属层，连接着元件。硅本身看起来是绿色的，在金属下面。外面的黑色圆圈是键合导线连接，将硅芯连接到芯片的封装上。芯片的区域经过处理(掺杂)以改变硅的电学特性。下面几节解释了元件是如何产生的。

放大器芯片由被称为NPN和PNP双极型晶体管的晶体管组成，不同于处理器中使用的低功耗MOS晶体管。这些晶体管有三个连接：发射极、基极和集电极。下面放大的照片显示了其中一个晶体管出现在芯片上。硅中略微不同的色调表示已经掺杂形成N和P区的区域，区域之间有黑线分隔。气泡状银色区域是金属.。

放大器芯片中的NPN晶体管。集电极(C)、发射极(E)和基极(B)连同N和P掺杂的硅一起标记。

照片下面是一张横断面图，说明了晶体管是如何构造的。发射极(E)线连接到N+硅。其下方是连接到基触点(B)的P层。下面是(间接地)连接到集电极(C)的N+层。如果你看一下下面的垂直横截面，你可以找到形成晶体管的N-P-N层。

下面的照片显示了一个用来驱动扬声器的大型输出晶体管。这些晶体管必须产生高电流输出，所以它们比常规晶体管大得多，并且具有不同的结构。请注意发射器和基座的多个互锁手指，周围环绕着大型收集器。如果你回头看芯片照片，你会看到其中两个晶体管填满了芯片的左上角。

芯片中的大电流NPN输出晶体管。标记收集器(C)、基座(B)和发射器(E)。

该芯片还使用PnP晶体管，其结构完全不同，如下图所示。2PNP晶体管有一个小的正方形发射极(P-硅)，由一个正方形基区(N-硅)包围，该正方形基区又被集电极(P-硅)包围。(发射极金属覆盖发射极和基极，但只连接到基极。)与NPN晶体管的垂直结构不同，这些区域水平(横向)形成P-N-P夹层。请注意.。

芯片中的PnP晶体管。集电极(C)、发射极(E)和基极(B)的连接以及N和P掺杂的硅都标有标签。基座围绕发射极形成环，集电极围绕基座形成环。

电阻器是模拟芯片的重要组成部分，下面的照片显示了一个长长的锯齿形电阻器，连接到照片底部的金属线上。(电阻器在金属层下面有几个点通过。)电阻器是由P型硅片形成的。电阻与电阻器的长度成正比，所以大值电阻器的形状是之字形的，以适应可用空间。由于电阻器相对较大且不精确，芯片设计试图将电阻的尺寸降到最小。

芯片内部的电阻器，以及部件号。电阻器是两个金属触点之间的P型硅片，呈锯齿形。在左侧和右侧可以看到其他电阻器的一部分。

这个芯片有三个大电容，每个放大器一个。下面的照片显示了其中一个电容器。电容器只是一层覆盖在底层硅上的金属，由一层薄的绝缘氧化层隔开。在这个芯片中，电容器是用来确保放大器的稳定性的。因为它们很大，所以这三个电容器很容易在芯片芯片照片中被发现。

音频芯片的作用是接收CPU产生的声音并将其放大，用于内置扬声器或外部耳机。下图显示了芯片在Game Boy主板上的外观。它还显示了扬声器、耳机插孔和调节放大器芯片输入电平的音量控制。

该芯片包含三个音频放大器：一个用于扬声器，两个用于耳机(因为它们有左声道和右声道)。这三个放大器的设计几乎相同，只是扬声器放大器使用更大的晶体管