¿Por qué un chip Intel 8080 se destruye si se conecta +12 V antes de -5 V?

Question

El Intel 8080 es un microprocesador clásico lanzado en 1974, fabricado mediante un proceso NMOS en modo de mejora, y muestra varias características únicas relacionadas con este proceso, como el requisito de un reloj bifásico, y tres carriles de alimentación: 5 V, +5 V y +12 V.

En el descripción de la clavija de alimentación de la Wikipedia, dice

Pin 2: GND (V _SS ) - Tierra

Pin 11: 5 V (V _BB ) - La fuente de alimentación de 5 V. Esta debe ser la primera fuente de alimentación conectada y la última desconectada, de lo contrario el procesador se dañará.

Pin 20: +5 V (V _CC ) - La fuente de alimentación de + 5 V.

Pin 28: +12 V (V _DD ) - La fuente de alimentación de +12 V. Esta debe ser la última fuente de alimentación conectada y la primera desconectada.

Hice una referencia cruzada a la hoja de datos original pero la información es un poco contradictoria.

Máximo absoluto :

V _CC (+5 V), V _DD (+12 V) y V _SS (GND) con respecto a V _BB (5 V): 0,3 V a +20 V.

Incluso si V _BB es 0 V cuando está desconectado, V _DD sería de +17 V, y no debería superar el máximo absoluto. ¿Es correcta la afirmación original en Wikipedia de que un chip Intel 8080 se destruye si se conecta +12 V antes de 5 V?

Si es correcto, ¿cuál es el mecanismo exacto de fallo si hago esto? ¿Por qué se destruiría el chip si se aplica primero +12 V sin 5 V? Sospecho que debe tener algo que ver con el proceso NMOS en modo de mejora, pero no sé cómo funcionan los semiconductores.

¿Podría explicar cómo se implementa la fuente de alimentación internamente dentro del Intel 8080? ¿Existe el problema en otros chips de la misma época construidos con un proceso similar?

Además, si tengo que diseñar una fuente de alimentación para el Intel 8080, digamos que utilizando tres reguladores de voltaje, ¿cómo evito que se dañe el chip si el carril de +12 V sube antes de 5 V?

Answer 1

No tengo una respuesta completa para ti, pero el 8080 fue uno de los primeros chips de Intel en utilizar un proceso NMOS en lugar del proceso PMOS de los chips 4004, 4040 y 8008. En el proceso NMOS, el sustrato debe ser el punto más negativo de todo el circuito, para asegurarse de que las uniones aislantes de otros elementos del circuito estén correctamente polarizadas en sentido inverso.

Por lo tanto, sospecho que el suministro de -5V, entre otras cosas, está ligado directamente al sustrato, y si los otros voltajes se suministran sin este sesgo presente, hay todo tipo de caminos de conducción no deseados a través del chip, muchos de los cuales podrían conducir a latch-up y autodestrucción.

Para responder a tu última pregunta, si tu fuente de alimentación no tiene la secuenciación correcta por diseño, entonces necesitas un secuenciador separado - un circuito que por sí mismo requiere que la alimentación de -5V esté presente antes de permitir que los otros voltajes lleguen al chip.

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Haciéndome eco de algunos de los comentarios de tu pregunta, no recuerdo que se tuviera ningún cuidado especial en los sistemas actuales basados en el 8080 de la época.

Sin embargo, estos sistemas solían construirse con cuatro fuentes de alimentación, o más exactamente, con dos pares de fuentes de alimentación: ±5V y ±12V (en cualquier interfaz en serie se habría utilizado -12V), cada una de ellas accionada por un bobinado de transformador y un puente rectificador. Lo natural habría sido que las fuentes de 5V surgieran antes que las de 12V - y de esas dos, la de -5V sería más rápida que la de +5V, al estar mucho menos cargada.

Así que (de nuevo estoy suponiendo), las fuentes de alimentación o bien "simplemente funcionaban" en términos de secuencia, o bien el peligro no era realmente tan grave como los escritores de la hoja de datos querían hacer creer.

Answer 2

En el proceso utilizado para el 8080, +12 proporcionaba el voltaje primario para la lógica, +5 suministraba el voltaje para la lógica de los pines de E/S (que pretendía ser compatible con TTL, por lo que se limitaba a señales de 0 -> 5 voltios) y -5 se conectaba al sustrato. Este último voltaje aseguraba que todos los dispositivos activos del CI permanecieran aislados, manteniendo una polarización inversa en las uniones PN que los separaban del sustrato de silicio común.

Si cualquier señal de E/S se situara "por debajo" de la tensión del sustrato, podría llevar a la unión de aislamiento a una condición de enclavamiento similar a la de los SCR, con la consiguiente corriente alta continua que podría destruir el dispositivo. La secuencia requerida de encendido y apagado de las tres tensiones de alimentación pretendía minimizar este riesgo.

Como se ha señalado correctamente en una respuesta anterior, en la práctica los diseñadores de sistemas se han saltado este requisito a la torera. Básicamente, lo más importante era alimentar el resto de la lógica del sistema con la misma alimentación de +5 que manejaba la CPU, de modo que, como mínimo, los voltajes aplicados a los pines de entrada de la CPU nunca fueran mayores que la alimentación "+5" de la CPU, ni menores que la alimentación "-5" de la CPU, y asegurar que la alimentación "+12" fuera igual o mayor que la alimentación "+5" en todo momento. Un diodo de potencia schottky a veces era puenteado entre esos voltajes, para mantener esa relación, por ejemplo, durante el apagado.

Normalmente, los valores de los tapones de filtro electrolítico para las tres fuentes de alimentación se eligieron de forma que -5 y +12 subieran con bastante rapidez, y +5 se retrasara un poco después.

Los perfeccionamientos del proceso MOS permitieron que los diseños posteriores de CI se alimentaran únicamente con +5, y si se necesitaba un voltaje negativo en el sustrato se generaba en el chip mediante un pequeño circuito de bomba de carga. (Por ejemplo, la EPROM 2516 frente a la 2508, la cpu 8085 frente a la 8080).

Answer 3

Si tengo que diseñar una fuente de alimentación para el Intel 8080, digamos que usando tres reguladores de voltaje, ¿cómo puedo evitar daños en el chip si el carril de +12v se eleva antes que -5v?

Con un poco de cuidado deberías poder evitar esa situación. la CPU consume muy poca corriente a -5V, así que con un condensador de filtro sobredimensionado naturalmente subirá rápido y bajará lento.

Se puede hacer que +12V suba más lentamente teniendo un voltaje no regulado más bajo que proporcione menos "espacio libre", y una capacitancia más baja en relación con el consumo de corriente para hacer que caiga más rápido. Una resistencia de purga asegurará que el voltaje caiga lo suficientemente rápido incluso con poca carga.

He simulado la fuente de alimentación en el Altair 8800 . Todos los voltajes de alimentación subieron casi a la vez a los 4 ms del encendido. Al apagar, el suministro de +12V cayó primero, seguido por el suministro de +5V y luego el suministro de -5V.

Aquí está el primer ciclo de la red al encenderla:-

Y aquí está el apagado después de 60 ciclos de red:-

El circuito de -5V del Altair tiene este aspecto:-

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

La combinación de un alto voltaje de CC no regulado (en relación con 5V), una gran capacitancia de filtro y una carga ligera proporciona un tiempo de subida rápido y un tiempo de bajada lento.

La alimentación de +12V del Altair tiene un circuito similar, pero 12V no es mucho menos que 16V por lo que el voltaje cae por debajo de 12V más rápido (también ayudado por el mayor consumo de corriente de la alimentación de +12V).