如果在 -5 V 之前连接 +12 V,为什么 Intel 8080 芯片会损坏?

电器工程 电源 集成电路 半导体 纳米管 8080
2022-01-29 14:10:21

Intel 8080 是 1974 年发布的经典微处理器,采用增强型 NMOS 工艺制造,并显示出与该工艺相关的各种独特特性,例如需要两相时钟和三个电源轨:-5 V、 +5 V 和 +12 V。

在维基百科对电源引脚的描述中,它说

引脚 2:GND (V SS ) - 接地

引脚 11:-5 V (V BB ) - -5 V 电源。这必须是第一个连接的电源和最后一个断开的电源,否则会损坏处理器。

引脚 20:+5 V (V CC ) - + 5 V 电源。

引脚 28:+12 V (V DD ) - +12 V 电源。这必须是最后连接和第一个断开的电源。

我交叉引用了原始数据表,但信息有点矛盾。

绝对最大值

V CC (+5 V)、V DD (+12 V) 和 V SS (GND) 相对于 V BB (-5 V):-0.3 V 至 +20 V。

即使 V BB未连接时为 0 V,V DD也会为 +17 V,并且不应超过绝对最大值。如果在 -5 V 之前连接 +12 V,则 Intel 8080 芯片会被破坏,这是否是 Wikipedia 上的原始声明?

如果它是正确的,如果我这样做,确切的失败机制是什么?如果先施加 +12 V 而没有 -5 V,为什么芯片会被破坏?我怀疑它一定与增强型 NMOS 工艺有关,但我不知道半导体是如何工作的。

您能否解释一下电源是如何在 Intel 8080 内部实现的?同一时代使用类似工艺构建的其他芯片是否存在问题?

另外,如果我需要为 Intel 8080 设计电源,假设使用三个稳压器,如果 +12 V 轨在 -5 V 之前上升,如何防止损坏芯片?

3个回答

我没有完整的答案,但 8080 是英特尔首批使用 NMOS 工艺的芯片之一,而不是 4004、4040 和 8008 芯片的 PMOS 工艺。在 NMOS 中,衬底必须是整个电路中的最负点,以确保其他电路元件的隔离结正确反向偏置。

所以,我怀疑 -5V 电源,除其他外,直接连接到基板,如果在没有这种偏置的情况下提供其他电压,则会有各种意外的传导路径通过芯片,其中许多可能导致闭锁和自毁。

要回答您的最后一个问题,如果您的电源没有按设计正确排序,那么您需要一个单独的排序器 - 一个本身需要 -5V 电源的电路才能允许其他电压到达芯片。


为了回应对您问题的一些评论,我不记得在当时实际的基于 8080 的系统中采取了任何特别的措施。

然而,此类系统通常由四个电源构成——或者更准确地说,是两对电源:±5V 和±12V(-12V 可用于任何串行接口),每个电源由变压器绕组和桥式整流器驱动. 5V 电源在 12V 电源之前出现是很自然的——在这两个电源中,-5V 会比 +5V 快,负载要轻得多。

因此(我再次猜测),电源要么在排序方面“正常工作”,要么危险并不像数据表作者让你相信的那么严重。

在用于 8080 的过程中,+12 为逻辑提供初级电压,+5 为 I/O 引脚逻辑提供电压(旨在与 TTL 兼容,因此限制为 0 -> 5 伏信号)和 - 5连接到基板。后一种电压确保 IC 上的所有有源器件保持隔离,方法是在将它们与公共硅衬底分开的 PN 结上保持反向偏置。

如果任何 I/O 信号“低于”衬底电压,它可能会驱动隔离结进入类似 SCR 的闭锁状态,由此产生的持续高电流可能会损坏器件。所需的开启和关闭三个电源电压的顺序旨在最大限度地降低这种风险。

正如先前的答案正确指出的那样,在实践中,系统设计人员在这个要求上跑得又快又松。基本上,最重要的是用驱动 CPU 的相同 +5 电源为系统逻辑的其余部分供电,这样至少施加到 CPU 输入引脚的电压永远不会大于 CPU“+5”电源,或低于 CPU“-5”电源,并确保“+12”电源始终等于或大于“+5”电源。肖特基功率二极管有时会在这些电压之间桥接,以保持关系,例如在断电期间。

通常,选择三个电源的电解过滤器电容值,使得 -5 和 +12 相当快地上升,而 +5 则滞后一点。

MOS 工艺改进允许后来的 IC 设计仅由 +5 供电,如果需要负衬底电压,它由一个小型电荷泵电路在芯片上产生。(例如 2516 EPROM 与 2508、8085 cpu 与 8080。)

如果我需要为 Intel 8080 设计电源,假设使用三个稳压器,如果 +12v 轨在 -5v 之前上升,如何防止损坏芯片?

稍加小心,您应该能够避免这种情况。CPU 在 -5V 时消耗的电流非常小,因此使用超大滤波电容自然会快速上升并缓慢下降。

+12V 可以通过具有较低的未稳压电压(提供较小的“净空”)和相对于电流消耗的较低电容以使其下降更快来使上升更慢。泄放电阻器将确保即使在低负载情况下电压也足够快地下降。

我模拟了Altair 8800中的电源所有电源电压在开启后的 4ms 内几乎一起上升。关闭时,+12V 电源首先下降,然后是 +5V 电源,然后是 -5V 电源。

这是打开时的第一个电源周期:-

在此处输入图像描述

这是 60 次电源循环后关闭:-

在此处输入图像描述

Altair 的 -5V 电路如下所示:-

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

高非稳压直​​流电压(相对于 5V)、大滤波电容和轻负载的组合提供了快速上升时间和缓慢下降时间。

Altair 的 +12V 电源具有类似的电路,但 12V 并不比 16V 小很多,因此电压降到 12V 以下的速度更快(也得益于 +12V 电源的更高电流消耗)。