Warum wird ein Intel 8080-Chip zerstört, wenn +12 V vor -5 V angeschlossen werden?

Der Intel 8080 ist ein klassischer Mikroprozessor, der 1974 auf den Markt gebracht wurde und mit einem NMOS-Prozess im Enhancement-Modus hergestellt wurde. Er weist verschiedene einzigartige Merkmale auf, die mit diesem Prozess zusammenhängen, z. +5 V und +12 V.

In der Beschreibung der Steckdose aus Wikipedia heißt es

Pin 2: GND (V _SS ) - Masse

Pin 11: -5 V (V _BB ) - Die -5-V-Stromversorgung. Dies muss die erste angeschlossene und die letzte getrennte Stromquelle sein, da sonst der Prozessor beschädigt wird.

Pin 20: +5 V (V _CC ) - Die +5 V-Stromversorgung.

Pin 28: +12 V (V _DD ) - Die +12 V-Stromversorgung. Dies muss die zuletzt angeschlossene und die zuerst abgetrennte Stromquelle sein.

Ich habe auf das ursprüngliche Datenblatt verwiesen , aber die Informationen sind etwas widersprüchlich.

Absolutes Maximum :

V _CC (+5 V), V _DD (+12 V) und V _SS (GND) in Bezug auf V _BB (-5 V): -0,3 V bis +20 V.

Selbst wenn V _BB 0 V ist, wenn es nicht verbunden ist, wäre V _DD +17 V und sollte das absolute Maximum nicht überschreiten. Ist es die ursprüngliche Behauptung auf Wikipedia, dass ein Intel 8080-Chip zerstört wird, wenn +12 V angeschlossen werden, bevor -5 V korrekt sind?

Wenn es richtig ist, was ist der genaue Fehlermechanismus, wenn ich das tue? Warum wird der Chip zerstört, wenn zuerst +12 V ohne -5 V angelegt werden? Ich vermute, es muss etwas mit dem NMOS-Prozess im Enhancement-Mode zu tun haben, aber ich weiß nicht, wie Halbleiter funktionieren.

Können Sie erklären, wie das Netzteil in Intel 8080 integriert ist? Gab es das Problem bei anderen Chips aus der gleichen Zeit, die nach einem ähnlichen Verfahren hergestellt wurden?

Wenn ich ein Netzteil für den Intel 8080 entwickeln muss, beispielsweise mit drei Spannungsreglern, wie kann ich Schäden am Chip verhindern, wenn die +12 V-Schiene vor -5 V ansteigt?

In dem für den 8080 verwendeten Prozess lieferte +12 die Primärspannung für die Logik, +5 die Versorgungsspannung für die I / O-Pin-Logik (die TTL-kompatibel sein sollte und somit auf 0 -> 5 Volt-Signale beschränkt ist) und - 5 wurde mit dem Substrat verbunden. Die letztere Spannung stellte sicher, dass alle aktiven Bauelemente auf dem IC isoliert blieben, indem eine Sperrvorspannung an den PN-Übergängen aufrechterhalten wurde, die sie vom gemeinsamen Siliziumsubstrat trennten.

Wenn ein E / A-Signal die Substratspannung "unterschreitet", kann dies dazu führen, dass der Isolationsübergang in einen SCR-ähnlichen Latchup-Zustand versetzt wird und der daraus resultierende hohe Dauerstrom das Gerät möglicherweise zerstört. Die erforderliche Reihenfolge des Ein- und Ausschaltens der drei Versorgungsspannungen sollte dieses Risiko minimieren.

Wie bereits in einer früheren Antwort richtig ausgeführt, waren Systementwickler in der Praxis mit dieser Anforderung schnell und locker. Grundsätzlich war es am wichtigsten, den Rest der Systemlogik mit der gleichen +5-Versorgung zu versorgen, mit der die CPU betrieben wurde, sodass die an die CPU-Eingangspins angelegten Spannungen mindestens niemals größer als die CPU-Versorgung "+5" sein würden. oder niedriger als die CPU "-5" -Versorgung und um sicherzustellen, dass die "+12" -Versorgung zu allen Zeiten gleich oder größer als die "+5" -Versorgung war. Manchmal wurde eine Schottky-Leistungsdiode zwischen diesen Spannungen überbrückt, um dies aufrechtzuerhalten Beziehung zB beim Ausschalten.

Typischerweise wurden die Werte für den Elektrolytfilterdeckel für die drei Versorgungen so gewählt, dass -5 und +12 ziemlich schnell anstiegen und +5 etwas später lagen.

Durch Verfeinerungen des MOS-Prozesses konnten spätere IC-Designs nur mit +5 betrieben werden, und wenn eine negative Substratspannung benötigt wurde, wurde diese durch eine kleine Ladungspumpenschaltung auf dem Chip erzeugt. (zB 2516 EPROM vs. 2508, 8085 CPU vs. 8080.)

Ich habe keine vollständige Antwort für Sie, aber der 8080 war einer der ersten Chips von Intel, die einen NMOS-Prozess anstelle des PMOS-Prozesses der 4004-, 4040- und 8008-Chips verwendeten. Bei NMOS muss das Substrat der negativste Punkt in der gesamten Schaltung sein, um sicherzustellen, dass die Isolationsübergänge anderer Schaltungselemente ordnungsgemäß in Sperrrichtung vorgespannt sind.

Ich vermute also, dass die -5V-Versorgung unter anderem direkt mit dem Substrat verbunden ist, und wenn die anderen Spannungen ohne diese Vorspannung geliefert werden, gibt es alle Arten von unbeabsichtigten Leitungswegen durch den Chip, von denen viele führen könnten Selbstzerstörung.

Zur Beantwortung Ihrer letzten Frage benötigen Sie einen separaten Sequenzer, wenn Ihr Netzteil nicht die richtige Reihenfolge aufweist - eine Schaltung, für die die -5-V-Versorgung vorhanden sein muss, bevor die anderen Spannungen den Chip erreichen können.

Um einige der Kommentare zu Ihrer Frage zu wiederholen, erinnere ich mich nicht an besondere Sorgfalt, die in den heutigen 8080-basierten Systemen angewendet wird.

Solche Systeme wurden jedoch normalerweise mit vier Netzteilen gebaut - genauer gesagt mit zwei Paaren von Netzteilen: ± 5 V und ± 12 V (-12 V wären in allen seriellen Schnittstellen verwendet worden), die jeweils von einer Transformatorwicklung und einem Brückengleichrichter angetrieben wurden . Es wäre natürlich gewesen, dass die 5-V-Versorgung vor den 12-V-Versorgung hochgefahren wäre - und von diesen beiden wären -5 V schneller als +5 V, da sie weitaus weniger stark belastet sind.

Also (ich vermute es noch einmal), die Netzteile "funktionierten" entweder nur in Bezug auf die Sequenzierung, oder die Gefahr war nicht wirklich so gravierend, wie Sie es von den Datenblattschreibern erwartet hätten.

Wenn ich ein Netzteil für den Intel 8080 entwickeln muss, beispielsweise mit drei Spannungsreglern, wie kann ich Schäden am Chip verhindern, wenn die + 12-V-Schiene vor -5 V hochfährt?

Mit ein wenig Sorgfalt sollten Sie in der Lage sein, diese Situation zu vermeiden. Die CPU verbraucht bei -5 V nur sehr wenig Strom. Bei einem übergroßen Filterkondensator steigt der Strom natürlich schnell an und fällt langsam ab.

+12 V können langsamer ansteigen, indem eine niedrigere ungeregelte Spannung verwendet wird, die weniger „Headroom“ und eine geringere Kapazität im Verhältnis zur Stromaufnahme bietet, um den Abfall zu beschleunigen. Ein Ableitwiderstand sorgt dafür, dass die Spannung auch bei geringer Belastung schnell genug abfällt.

Ich habe die Stromversorgung im Altair 8800 simuliert . Alle Versorgungsspannungen stiegen innerhalb von 4 ms nach dem Einschalten ziemlich zusammen an. Beim Ausschalten fiel zuerst die + 12V-Versorgung ab, gefolgt von der + 5V-Versorgung und dann der -5V-Versorgung.

Hier ist der erste Netzzyklus beim Einschalten: -

Und hier ist das Ausschalten nach 60 Netzzyklen: -

Der -5V-Stromkreis des Altair sieht folgendermaßen aus:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Die Kombination aus hoher ungeregelter Gleichspannung (relativ zu 5 V), großer Filterkapazität und geringer Belastung ergibt eine schnelle Anstiegszeit und eine langsame Abfallzeit.

Die + 12-V-Versorgung des Altair hat eine ähnliche Schaltung, aber 12 V sind nicht viel weniger als 16 V, sodass die Spannung schneller unter 12 V fällt (was auch durch die höhere Stromaufnahme aus der + 12-V-Versorgung unterstützt wird).