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

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

En la descripción del pin de alimentación de 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 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 no está conectado, V _DD sería +17 V, y no debería exceder el máximo absoluto. ¿Es la afirmación original en Wikipedia de que un chip Intel 8080 se destruirá si se conectan +12 V antes de -5 V correctamente?

Si es correcto, ¿cuál es el mecanismo exacto de falla si hago esto? ¿Por qué se destruiría el chip si se aplica +12 V primero 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 internamente la fuente de alimentación dentro de Intel 8080? ¿Existió el problema entre otros chips en la misma era construida usando un proceso similar?

Además, si necesito diseñar una fuente de alimentación para el Intel 8080, digamos usando tres reguladores de voltaje, ¿cómo puedo evitar daños al chip si el riel de +12 V aumenta antes de -5 V?

En el proceso utilizado para el 8080, +12 proporcionó el voltaje primario para la lógica, +5 voltaje suministrado para la lógica del pin de E / S (que estaba destinado a ser compatible con TTL, por lo tanto limitado a señales de 0 -> 5 voltios) y - 5 estaba conectado al sustrato. El último voltaje aseguraba que todos los dispositivos activos en el IC permanecían aislados manteniendo un sesgo inverso en las uniones PN que los separaban del sustrato de silicio común.

Si alguna señal de E / S se encontraba "por debajo" del voltaje del sustrato, podría conducir la unión de aislamiento a una condición de enclavamiento similar a SCR, con la corriente continua resultante que podría destruir el dispositivo. La secuencia requerida de encendido y apagado de los tres voltajes de la fuente de alimentación tenía la intención de minimizar este riesgo.

Como una respuesta anterior señaló correctamente, en la práctica los diseñadores de sistemas corrieron rápido y suelto con este requisito. Básicamente, lo más importante era alimentar el resto de la lógica del sistema con el mismo suministro de +5 que accionaba la CPU, de modo que como mínimo los voltajes aplicados a los pines de entrada de la CPU nunca serían mayores que el suministro de la CPU "+5", o menor que el suministro de CPU "-5", y para asegurar que el suministro "+12" fue igual o mayor que el suministro "+5 en todo momento. Un diodo de potencia schottky a veces se conectaba entre esos voltajes, para mantener que relación, por ejemplo, durante el apagado.

Por lo general, los valores de la tapa del filtro electrolítico para los tres suministros se eligieron de manera que -5 y +12 aumentaron bastante rápido, y +5 se retrasó un poco después.

Los refinamientos del proceso MOS permitieron que los diseños de IC posteriores fueran alimentados únicamente por +5, y si se necesitaba un voltaje de sustrato negativo, se generaba en el chip por un pequeño circuito de bomba de carga. (por ejemplo, 2516 EPROM vs. 2508, 8085 cpu vs. 8080.)

No tengo una respuesta completa para usted, 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 NMOS, el sustrato debe ser el punto más negativo en todo el circuito, para asegurarse de que las uniones aislantes de otros elementos del circuito tengan una polarización inversa adecuada.

Entonces, sospecho que el suministro de -5V, entre otras cosas, está vinculado directamente al sustrato, y si los otros voltajes se suministran sin este sesgo presente, hay todo tipo de rutas de conducción no intencionadas a través del chip, muchas de las cuales podrían conducir para engancharse y autodestruirse.

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

Para hacer eco de algunos de los comentarios sobre su pregunta, no recuerdo haber tenido especial cuidado en los sistemas actuales basados ​​en 8080 del día.

Sin embargo, estos sistemas generalmente se construyeron con cuatro fuentes de alimentación, o más precisamente, dos pares de fuentes de alimentación: ± 5V y ± 12V (se habrían utilizado -12V en cualquier interfaz en serie), cada una impulsada por un devanado de transformador y un puente rectificador . Hubiera sido natural que los suministros de 5V aparecieran antes que los suministros de 12V, y de esos dos, -5V sería más rápido que + 5V, con una carga mucho menor.

Entonces (de nuevo, supongo), las fuentes de alimentación "simplemente funcionaron" en términos de secuenciación, o el peligro no era realmente tan grave como los escritores de la hoja de datos te harían creer.

Si necesito diseñar una fuente de alimentación para el Intel 8080, digamos usando tres reguladores de voltaje, ¿cómo puedo evitar daños en el chip si el raíl de + 12v sube antes de -5v?

Con un poco de cuidado, deberías poder evitar esa situación. la CPU consume muy poca corriente a -5 V, por lo que, con un condensador de filtro de gran tamaño, aumentará rápidamente y disminuirá lentamente.

Se puede hacer que + 12V aumente más lentamente al tener un voltaje no regulado más bajo que proporciona menos 'altura libre' y una capacitancia más baja en relación con el consumo de corriente para que caiga más rápido. Una resistencia de purga asegurará que el voltaje caiga lo suficientemente rápido incluso con poca carga.

Simulé la fuente de alimentación en el Altair 8800 . Todos los voltajes de suministro aumentaron más o menos juntos dentro de los 4 ms de encendido. En el apagado, 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 eléctrica en el encendido: -

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

El circuito de -5V de Altair se ve así: -

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

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

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