下图显示了带有字幕的关键功能组件的Game Boy硅片的照片。
放大器芯片上刻有DMG-AMP字样，表示点矩阵游戏放大器。 Sharp生产的18针芯片的部件号是IR3R40。
芯片的内部名称为SBG14。
在芯片的左上方，有两个用于扬声器的大型驱动器晶体管（一个将信号拉低，另一个将信号拉高）。耳机放大器由两个几乎完全相同的模块组成-用于左右声道。电流源和电流镜的电路在两个通道中都是共用的。芯片左下方是数字逻辑，该逻辑可打开扬声器或耳机的放大器-连接耳机后将激活该逻辑。可点击
通过仔细检查晶体，可以找到诸如晶体管和电阻器之类的组件。从此开始，您可以了解整个方案。在上面的照片中，白线是连接组件的芯片的金属层。硅本身看起来是绿色的并且在金属之下。周围的绿色矩形是用于焊接晶体和芯片18个触点的导线的焊盘。为了改变电性能，在掺杂过程中将杂质引入到硅的某些区域。下一节将说明如何用这些不同类型的硅制成不同的组件。
NPN晶体管
放大器芯片使用NPN和PNP双极晶体管，这与处理器中使用的低功率MOSFET不同。这些晶体管具有三个触点-发射极，基极和集电极。下面的放大照片显示了一个NPN晶体管。硅的阴影深浅不一，在这些区域中添加了杂质以形成N和P区域，而黑线则将这些区域分隔开。银色气泡是硅顶部的金属层，形成连接到基极，发射极和集电极的导体。
Game Boy彩色放大器芯片中的NPN晶体管。标有集电极C，发射极E和基极B，N和P是带有杂质的硅区域。
照片下方是描述晶体管器件的垂直截面图。发射极E连接到硅N +。P层下面是P层，该层连接到基极引脚B。它下面是N +层（间接连接到集电极C）。如果查看字母E下方的垂直部分，您会看到构成晶体管的NPN层。
下面是用于驱动扬声器的高输出电流晶体管的另一种结构。它们更大，并有许多缠绕在一起的发射器和基部“手指”，它们被大的歧管包围。在晶体的照片中，您可以看到两个这样的晶体管填充了晶体的左上方。
Game Boy彩色放大器芯片中的大型高电流NPN晶体管。标有集电极C，发射极E和基极B。
PNP晶体管
而且，该芯片使用完全不同设计的PNP晶体管。如下图所示。最明显的区别是它们是圆形的。
该芯片上的大多数PNP晶体管都是圆形的。然而，当组合多个PNP晶体管时，仍然使用矩形结构。方波PNP晶体管比方波NPN晶体管大。该芯片还具有多个PNP晶体管，每个PNP晶体管具有多个集电极。其他PNP晶体管没有用于集电极的专用触点-而是使用衬底（接地）。
PNP晶体管具有一个小的圆形发射极（P-silicon），该发射极被环形基极（N-silicon）包围，而环形基极又被集电极（P-silicon）包围。发射极金属覆盖发射极和基极，但仅连接到发射极。这些贴片水平（横向）形成PNP三明治，而不像NPN晶体管那样垂直形成。尽管基部物理地围绕发射极，但是与基部的金属接触距离更远。来自基极的信号通过集电极下方的N部分。
Game Boy彩色放大器芯片上的PNP晶体管。记录了与集电极C，发射极E和基极B以及具有N和P杂质的硅的接触。
电阻器
电阻是模拟芯片的重要组成部分。下图显示了由P条硅条形成的长字形电阻，照片中呈米色。它的电阻与电阻的长度成正比，因此具有较大之字形的电阻可容纳在可用空间中。由于电阻器相对较大且不精确，因此芯片设计会尽量减少其数量。然而，这种模拟芯片需要许多电阻器。
Game Boy放大器芯片上的某些电阻。在中央，两个并联电阻提供低电阻。长而弯曲的电阻器会产生很大的电阻。
下图显示了七个小电阻器，但中间只有两个（并联）连接到该电路。额外的电阻器使得可以通过更改金属层来进行更改，这比更改硅要容易得多。这些电阻偏置输出晶体管，这似乎是需要调整的关键电阻。
电容器类
该芯片上有三个大电容器，每个放大器一个。下图显示了其中一个电容器。电容器仅仅是由薄的绝缘氧化物层与下面的硅基板隔开的一块大块金属。在照片的右上角，您可以看到金属导体和硅衬底的连接。在该芯片中，使用电容器来确保放大器的稳定性。由于其尺寸，三个电容器很容易在晶体照片中发现。
LM380
Game Boy放大器芯片电路与1972年流行的LM380音频放大器芯片非常相似，因此，我将首先回顾LM380的工作原理。 LM380具有同相和同相输入，以及一个将输入之间的差放大固定倍数的输出-50。它看起来像一个运算放大器，但是LM380的目的是放大音频，这在几个方面将其与运算放大器区分开：较小的固定比率增益，无负电压等内部实现。
下图显示了LM380的主要功能块。输入进入差分对电路（蓝色）。 LM380（或Game Boy放大器）的输入进入差分对（Q3，Q4），但是该差分对与标准运算放大器不同。特别地，发射器接收变化的电流，并且因此，发生反馈。
差分对（绿色）的输出通过单个晶体管放大器级，从而提高了增益。电容器使放大器稳定，防止振荡。最终，输出级（洋红色）传递大量电流：功率晶体管Q7将输出上拉，而Q8和Q9则下拉。
LM380和Game Boy的扬声器放大器输出级使用一对互补的晶体管将信号下拉。 PNP晶体管和NPN晶体管的组合充当了更高功率的PNP晶体管，在某种程度上类似于复合晶体管。
反馈环路控制LM380的增益，将其保持在50。与运算放大器不同，LM380反馈网络连接到放大器的内部点，而不是输入。
LM380音频放大器。基于应用笔记的图表。
有关LM380 如何工作的详细信息，请参阅《美国国家半导体应用笔记》和《功率音频放大器IC LM380》文档。讲座中描述了类似的LM386和其他描述。
我现在将描述该芯片的反馈回路，因为Game Boy芯片的工作原理相似。下图显示了没有输入的情况下LM380的反馈环路如何工作。在左上方，通过R1的电源电压VS产生电流I。晶体管Q5和Q6形成电流镜：这使流经Q6的电流与流经Q5的电流I相匹配。从Q4到剩余芯片的电流应约为0（因为芯片的其余部分会大大增加电流）。结果是，流经R2的电流（由输出电压反馈产生）也应为I。由于R2的电阻为R1的一半，因此输出电压应等于电源电压的一半。事实证明，静止时的输出电压将等于所需电源电压的一半。
连接输入时，反馈回路的工作原理如下。假设将电压ΔV提供给正输入。射极跟随晶体管Q3和Q4缓冲并提升输入，因此R3两端出现相同的ΔV。结果，电流ΔI流过电阻器。这将使流经Q5的电流增加到I +ΔI，并且由于有了电流镜，所以相同的电流也将流经Q6。加上所有电流，我们得出通过R2的电流应等于I +2ΔI。由于R2比R3大25倍，因此2ΔI将输出电压增加到50ΔV。因此，输入电压乘以50。其背后的想法是反馈环路将乘数固定为50。
在我看来，理解LM380的最好方法是将其视为由运算跨阻放大器（OTRA）制成的，它是运算放大器的一个被遗忘的亲戚。 OTRA与运算放大器的工作方式相同，不同之处在于，在两个输入端施加了电流而不是电压，并且放大了电流之间的差，从而提供了输出电压。进入OTRA的两个I电流应大致相同，并且输入电压可能不同（与运算放大器不同）。
上图显示了LM380作为运算放大器和反馈环路。等同两个电流，使得V 出 = V 小号 / 2 + 51V + - 50.5V - ，或大致V 出 = V 小号/ 2 + 50 *（V + -V - ）。换句话说，输出以电源电压的一半为中心，输入电压之差乘以50。没有人以这种方式描述LM380，所以我可能是错的-但是，到目前为止，我没有看到此分析中的错误。
Game Boy音频芯片：耳机放大器
游戏男孩板。音频放大器芯片在右侧的中间。
Game Boy放大器芯片上有三个放大器：两个用于左右耳机通道相同，一个用于扬声器的功能更强大的单声道放大器。 Game Boy耳机放大器和扬声器放大器不同，但原理上与LM380相似。
下图显示了Game Boy耳机放大器。如果将其与LM380电路进行比较，可以看到LM380与耳机放大器之间的相似之处，但也有所不同。最重要的是，它的区别在于输入级和反馈电路，并且耳机放大器电路本质上是相同的。
我没有找到晶体上电阻的确切值，但是如果比较它们的长度，就可以大致确定它们的长度。从R48，R49，R50和R51来看，我计算出耳机放大器的比率为22。从电阻R2，R3，R4和R7来看，扬声器放大器的比率为30，大大高于耳机。
耳机放大器的放大阶段有3个晶体管，而LM380中只有1个晶体管-可能会获得更大的增益。耳机放大器的输出级相似，但经过简化。拉低LM380输出的PNP / NPN对已由单个PNP晶体管代替。最大的区别是放大器的控制部分，而LM380没有。未插入时，此控制电路会关闭耳机放大器，从而节省电池电量。
Game Boy耳机放大器电路。对晶体进行逆向工程后由我绘制。
下图显示了左耳机放大器。出线触点（右下方，部件号SBG14旁边）由七个并联的PNP晶体管（左上方）和七个较小的并联NPN晶体管（中间底部）驱动。电容器在中心的左上方。许多电阻器缠绕在晶体周围。
左耳机放大器片上。正确的是它的镜像。
Game Boy音频芯片：扬声器放大器
下图显示了Game Boy扬声器放大器。与耳机放大器的两个通道不同，只有一个扬声器放大器，它产生左右声道的混合。输入级和反馈又几乎与LM380相同。输出级略有不同。但是，扬声器放大器级则完全不同：它包括一个四晶体管差分放大器级，可提供更大的增益。尽管此放大器级与输入级非常相似，但其连接方式不同，并使用了NPN晶体管。
Game Boy放大器芯片中的扬声器放大器电路
芯片的总增益受反馈环路的限制。运放的工作原理是原始增益约为100,000，但反馈将其降低到更合理的水平，例如50。“额外”增益可提高效率并减少失真。换句话说，与LM380相比，Game Boy的额外放大器舞台不会使它大声100倍。
在第二个放大阶段，我一点都不明白。它与差分放大器相似，不同之处在于差分放大器通常连接发射极，并且在此电路中连接了集电极。
该芯片具有用于去耦电容器的引脚，以减少功率波动的影响。耳机放大器具有外部去耦电容器，但是由于某些原因，扬声器放大器没有去耦电容器（请参见图）。由于缺少此电容器，说话者可能会听到人们抱怨的背景嗡嗡声。
Game Boy（和LM380）芯片中使用的去耦电容器有助于减少功率波动的影响。芯片通常在电源和地之间具有去耦电容，但是该去耦电容有些不同。它连接到反馈环路中的特定点，这使其比传统的去耦电容器更有效。
与Game Boy Color的比较
我最近介绍了 Game Boy彩色放大器芯片的逆向工程，因此比较两者会很有趣。 Game Boy和Game Boy彩色放大器芯片具有相似的功能。即使在晶体级别，它们看起来也相似。两者都在扬声器的左上角具有功率晶体管，在左下角具有控制电路，并且在右侧具有两个耳机通道。
Game Boy（左）和Game Boy Color（右）的音频放大器芯片的比较
但是，意外地发现这些芯片是以完全不同的方式实现的。 Game Boy使用LM380样式的音频放大器，而Game Boy Color使用具有更复杂电路的功率运算放大器。最重要的是，Game Boy芯片具有用于增益控制的内部反馈，而Game Boy Color还具有一个外部反馈电容器，这使其可以用作高通滤波器。有关更多信息，请参见我的Game Boy颜色放大器文章和示意图。发现了
Game Boy系统收藏家不同版本的游戏听起来不同。最初的Game Boy具有“温暖，低音”的声音，而Game Boy Color具有“细”的声音，带有背景噪音和嗡嗡声。不仅仅是主观感觉-差异在信号图上可见：
有趣的是，大多数声音差异可以通过分析放大器芯片来解释。Game Boy的输出接近方波，但是，由于100uF的去耦电容，波形下垂。Game Boy Color中的放大器设置为高通滤波器，因此它会产生高频峰值，同时损失低音。
结论
1989年的Game Boy和1998年的Game Boy Color使用特殊的放大器芯片。通过研究晶体的照片，可以对它们的电路进行反向工程。芯片通常在两个方面与常规放大器不同-这解释了对特殊芯片的需求。首先，每个芯片都有三个放大器：两个用于耳机通道，一个用于扬声器。其次，为了节省功耗，该芯片具有特殊电路，可根据是否插入耳机来关闭未使用的放大器。芯片的反向工程解释了Game Boy和Game Boy Color之间声音上的大多数差异。Game Boy Color芯片实现了高通滤波器，因此声音很细，没有Game Boy的低音。