Чому чіп Intel 8080 може бути знищений, якщо +12 В підключено до -5 В?

Intel 8080 - класичний мікропроцесор, випущений у 1974 році, виготовлений за допомогою процесу NMOS в поліпшеному режимі, і демонструє різні унікальні характеристики, пов'язані з цим процесом, такі як вимога двофазного годинника та трьох напрямних силових рейок: -5 В, +5 В і +12 В.

В описі штифта живлення з Вікіпедії сказано

Контакт 2: GND (V _SS ) - земля

Контакт 11: −5 V (V _BB ) - джерело живлення −5 V Це має бути перше підключене джерело живлення та останнє відключене, інакше процесор буде пошкоджений.

Контакт 20: +5 В (V _CC ) - блок живлення + 5 В

Контакт 28: +12 В (V _DD ) - джерело живлення +12 В. Це має бути останнє підключене та перше відключене джерело живлення.

Я посилався на оригінальний лист , але інформація трохи суперечлива.

Абсолютний максимум :

V _CC (+5 V), V _DD (+12 V) і V _SS (GND) по відношенню до V _BB (-5 V): від -0,3 В до +20 В.

Навіть якщо V _BB дорівнює 0 V, коли він не підключається, V _DD буде +17 V, і він не повинен перевищувати абсолютного максимуму. Чи є оригінальною заявою у Вікіпедії, що чип Intel 8080 буде знищений, якщо +12 В підключено до -5 В правильно?

Якщо це правильно, який точний механізм відмов, якщо я це роблю? Чому мікросхема буде знищена, якщо спочатку застосувати +12 В без -5 В? Я підозрюю, що це має щось спільне з процесом NMOS в поліпшеному режимі, але я не знаю, як працюють напівпровідники.

Чи можете ви пояснити, як джерело живлення реалізовано всередині Intel 8080? Чи існувала проблема серед інших мікросхем тієї ж епохи, побудованих за допомогою подібного процесу?

Крім того, якщо мені потрібно сконструювати джерело живлення для Intel 8080, скажімо, використовуючи три регулятори напруги, як запобігти пошкодженню мікросхеми, якщо рейка +12 В підскочить до -5 В?

У процесі, використовуваному для 8080, +12 забезпечувало первинну напругу для логіки, +5 подає напругу для логічного виводу вводу / виводу (яке повинно було бути сумісним з TTL, таким чином обмежуючись 0 -> 5 вольт сигналами) і - 5 був з'єднаний з підкладкою. Остання напруга гарантувало, що всі активні пристрої ІС залишаються ізольованими, підтримуючи зворотний зміщення на PN-місцях, що відокремлює їх від загальної кремнієвої підкладки.

Якщо будь-який сигнал вводу / виводу перейшов у напругу підкладки "нижче", він може потенційно привести ізолюючий з'єднання в стан замикання, подібного SCR, в результаті чого постійний високий струм потенційно руйнує пристрій. Необхідна послідовність включення та вимкнення трьох напруг живлення була покликана мінімізувати цей ризик.

Як правильно вказано в попередній відповіді, на практиці дизайнери систем швидко і вільно працювали з цією вимогою. В основному, найважливішим було живлення решти системної логіки з тією ж подачею +5, яка керувала процесором, так що, як мінімум, напруги, застосовані до вхідних штифтів процесора, ніколи не були б більшими, ніж живлення CPU "+5", або нижче, ніж джерело живлення "-5" центрального процесора, і щоб переконатися, що подача "+12" завжди була рівна або більша, ніж "+5 живлення". Діод Шоткі іноді був з'єднаний між цими напругами, щоб підтримувати це відносини, наприклад, під час відключення живлення.

Як правило, значення кришок електролітичного фільтра для трьох приладів вибиралися такими, що -5 і +12 наростали досить швидко, а +5 трохи відставали.

Удосконалення процесів MOS дозволило пізнішим розробникам ІС живитись лише від +5, і якщо потрібна була негативна напруга підкладки, вона створювалася на мікросхемі за допомогою невеликої схеми насосного заряду. (наприклад, 2516 EPROM проти 2508, 8085 CPU проти 8080.)

Я не маю повного відповіді для вас, але 8080 був одним з перших чіпів Intel, який використовував процес NMOS, а не процес PMOS 4004, 4040 та 8008 чіпів. У NMOS підкладка повинна бути найбільш негативною точкою у всій схемі, щоб переконатися, що ізолюючі з'єднання інших елементів ланцюга мають правильний зворотний зміщення.

Отже, я підозрюю, що джерело живлення -5В, крім усього іншого, прив’язаний безпосередньо до підкладки, і якщо інші напруги подаються без наявності упередженого зміщення, існують всілякі непередбачувані шляхи провідності через мікросхему, багато з яких можуть призвести до фіксації та самознищення.

Щоб відповісти на ваше останнє запитання, якщо ваш блок живлення не має правильної послідовності за конструкцією, то вам потрібен окремий секвенсор - схема, яка сама вимагає наявності напруги -5В, перш ніж вона дозволить іншим напругам досягти мікросхеми.

Щоб повторити деякі коментарі до вашого запитання, я не пригадую особливої ​​обережності в реальних системах 8080 року.

Однак зазвичай такі системи були побудовані з чотирьох джерел живлення - а точніше, двох пар джерел живлення: ± 5 В і ± 12 В (-12 В використовувались би в будь-яких послідовних інтерфейсах), кожна з яких була приведена в обмотку трансформатора і мостового випрямляча . Було б природно, щоб джерела живлення 5В з’явились раніше, ніж джерела 12В - а з цих двох, -5В були б швидшими, ніж + 5В, набагато менш завантажені.

Тож (знову я здогадуюсь), джерела живлення або "просто працювали" з точки зору послідовності, або небезпека не була такою серйозною, як ви б вважаєте, автори даних.

якщо мені потрібно розробити джерело живлення для Intel 8080, скажімо, використовуючи три регулятори напруги, то як запобігти пошкодженню мікросхеми, якщо + 12 В рейка підійде до -5 В?

Трохи обережно ви повинні уникнути такої ситуації. ЦП приводить дуже мало струму до -5 В, тому з великим конденсатором фільтра він, природно, підійде швидко і повільно знизиться.

+ 12В можна зробити повільніше підніматися, маючи меншу нерегульовану напругу, що забезпечує менший 'заголовок' та меншу ємність відносно витягу струму, щоб швидше падати. Відбійний резистор забезпечить падіння напруги досить швидко навіть при малому навантаженні.

Я імітував джерело живлення в Altair 8800 . Усі напруги живлення значно зросли разом протягом 4 мс після включення. При відключенні спочатку живлення + 12В падало, а потім + 5В, а потім -5В.

Ось перший електричний цикл при включенні: -

А ось вимкнення після 60 електричних циклів: -

Схема ланцюга Альтаїра -5В виглядає так: -

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Поєднання високої нерегульованої напруги постійного струму (відносно 5В), великої ємності фільтра та легкого навантаження дає швидкий час підйому та повільний час падіння.

Блок живлення Альтаїра + 12 В має аналогічну схему, але 12 В не набагато менший, ніж 16 В, тому напруга падає нижче 12 В швидше (також допомагає більший струмовий струм від джерела живлення + 12 В).