Perché un chip Intel 8080 sarebbe distrutto se +12 V fosse collegato prima di -5 V?

L'Intel 8080 è un classico microprocessore rilasciato nel 1974, fabbricato utilizzando un processo NMOS in modalità di miglioramento e mostra varie caratteristiche uniche legate a questo processo, come il requisito di un orologio a due fasi e tre binari di alimentazione: -5 V, +5 V e +12 V.

Nella descrizione del pin di alimentazione da Wikipedia, dice

Pin 2: GND (V _SS ) - Terra

Pin 11: −5 V (V _BB ) - L'alimentazione −5 V. Questa deve essere la prima fonte di alimentazione collegata e l'ultima scollegata, altrimenti il ​​processore verrà danneggiato.

Pin 20: +5 V (V _CC ) - L'alimentazione + 5 V.

Pin 28: +12 V (V _DD ) - L'alimentazione +12 V. Questa deve essere l'ultima fonte di alimentazione collegata e la prima disconnessa.

Ho fatto un riferimento incrociato al foglio dati originale , ma le informazioni sono un po 'contraddittorie.

Assoluto massimo :

V _CC (+5 V), V _DD (+12 V) e V _SS (GND) rispetto a V _BB (-5 V): da -0,3 V a +20 V.

Anche se V _BB è 0 V quando non è collegato, V _DD sarebbe +17 V e non dovrebbe superare il massimo assoluto. È l'affermazione originale su Wikipedia che un chip Intel 8080 viene distrutto se +12 V è collegato prima di -5 V corretto?

Se è corretto, qual è l'esatto meccanismo di errore se lo faccio? Perché il chip dovrebbe essere distrutto se si applica prima +12 V senza -5 V? Ho il sospetto che debba avere qualcosa a che fare con il processo NMOS in modalità di miglioramento, ma non so come funzionano i semiconduttori.

Potresti spiegare come viene implementato l'alimentatore all'interno di Intel 8080? Il problema esisteva tra gli altri chip della stessa era costruiti usando un processo simile?

Inoltre, se devo progettare un alimentatore per Intel 8080, diciamo usando tre regolatori di tensione, come posso evitare danni al chip se la rotaia +12 V sale prima di -5 V?

Nel processo utilizzato per l'8080, +12 ha fornito la tensione primaria per la logica, +5 ha fornito la tensione per la logica dei pin I / O (che doveva essere compatibile con TTL, quindi limitata a segnali 0 -> 5 volt) e - 5 è stato collegato al substrato. Quest'ultima tensione ha assicurato che tutti i dispositivi attivi sull'IC sono rimasti isolati mantenendo una polarizzazione inversa sulle giunzioni PN che li separavano dal comune substrato di silicio.

Se un qualsiasi segnale I / O andasse "sotto" la tensione del substrato, potrebbe potenzialmente condurre la giunzione di isolamento in una condizione di latchup simile a SCR, con la conseguente alta corrente continua che potrebbe distruggere il dispositivo. La sequenza richiesta di accensione e spegnimento delle tre tensioni di alimentazione aveva lo scopo di ridurre al minimo questo rischio.

Come una risposta precedente aveva giustamente sottolineato, in pratica i progettisti di sistemi si sono affrettati a perdere questo requisito. Fondamentalmente, la cosa più importante era alimentare il resto della logica di sistema con la stessa alimentazione +5 che guidava la CPU, in modo che almeno le tensioni applicate ai pin di ingresso della CPU non fossero mai maggiori dell'alimentazione "+5" della CPU, o inferiore all'alimentazione "-5" della CPU, e per assicurare che l'alimentazione "+12" fosse sempre uguale o maggiore dell'alimentazione "+5. A volte un diodo di potenza schottky era collegato a ponte tra quelle tensioni, per sostenere che relazione, ad esempio durante lo spegnimento.

Tipicamente, i valori del cappuccio del filtro elettrolitico per i tre materiali di consumo sono stati scelti in modo tale che -5 e +12 aumentassero abbastanza rapidamente e +5 in ritardo un po 'dopo.

I perfezionamenti del processo MOS hanno consentito ai successivi progetti IC di essere alimentati solo di +5 e, se era necessaria una tensione di substrato negativa, veniva generato su chip da un piccolo circuito della pompa di carica. (ad esempio 2516 EPROM vs. 2508, 8085 cpu vs. 8080.)

Non ho una risposta completa per te, ma l'8080 è stato uno dei primi chip Intel a utilizzare un processo NMOS piuttosto che il processo PMOS dei chip 4004, 4040 e 8008. In NMOS, il substrato deve essere il punto più negativo dell'intero circuito, al fine di assicurarsi che le giunzioni di isolamento di altri elementi del circuito siano opportunamente polarizzate al contrario.

Quindi, sospetto che l'alimentazione -5V, tra le altre cose, sia collegata direttamente al substrato e se le altre tensioni sono fornite senza questo bias presente, ci sono tutti i tipi di percorsi di conduzione non intenzionali attraverso il chip, molti dei quali potrebbero condurre al recupero e all'autodistruzione.

Per rispondere alla tua ultima domanda, se il tuo alimentatore non ha il corretto sequenziamento in base alla progettazione, allora hai bisogno di un sequencer separato - un circuito che richiede esso stesso un'alimentazione di -5V prima che consenta alle altre tensioni di raggiungere il chip.

Per fare eco ad alcuni dei commenti sulla tua domanda, non ricordo di aver prestato particolare attenzione agli attuali sistemi basati sull'8080 del giorno.

Tuttavia, tali sistemi erano generalmente costruiti con quattro alimentatori - o più precisamente, due coppie di alimentatori: ± 5 V e ± 12 V (-12 V sarebbero stati utilizzati in qualsiasi interfaccia seriale), ciascuno guidato da un avvolgimento del trasformatore e un raddrizzatore a ponte . Sarebbe stato naturale che le alimentazioni a 5 V arrivassero prima delle alimentazioni a 12V - e di quelle due, -5V sarebbe più veloce di + 5V, essendo molto meno pesantemente caricata.

Quindi (di nuovo indovino), gli alimentatori "hanno funzionato" in termini di sequenziamento, oppure il pericolo non è stato così grave come gli autori del foglio dati vorrebbero farvi credere.

se devo progettare un alimentatore per Intel 8080, diciamo usando tre regolatori di tensione, come posso evitare danni al chip se la rotaia + 12v sale prima di -5v?

Con un po 'di attenzione dovresti essere in grado di evitare quella situazione. la CPU assorbe pochissima corrente a -5V, quindi con un condensatore di filtro sovradimensionato salirà naturalmente velocemente e scenderà lentamente.

+ 12V possono aumentare più lentamente avendo una tensione non regolata più bassa che fornisce meno "spazio per la testa" e una capacità inferiore rispetto all'assorbimento di corrente per farlo cadere più velocemente. Un resistore di spurgo assicurerà che la tensione scenda abbastanza velocemente anche con un carico basso.

Ho simulato l'alimentatore nell'Altair 8800 . Tutte le tensioni di alimentazione sono aumentate praticamente insieme entro 4 ms dall'accensione. All'interruzione, l'alimentazione + 12V è caduta prima, seguita dall'alimentazione + 5V e quindi dall'alimentazione -5V.

Ecco il primo ciclo di rete all'accensione: -

Ed ecco lo spegnimento dopo 60 cicli di rete: -

Il circuito -5V di Altair si presenta così: -

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

La combinazione di alta tensione CC non regolata (relativa a 5 V), grande capacità del filtro e carico leggero offre un tempo di salita rapido e un tempo di caduta lento.

L'alimentazione + 12V di Altair ha un circuito simile, ma 12V non è molto inferiore a 16V, quindi la tensione scende al di sotto di 12V più velocemente (aiutata anche da un assorbimento di corrente più elevato dall'alimentazione + 12V).