Por que um chip Intel 8080 seria destruído se +12 V estivesse conectado antes de -5 V?

O Intel 8080 é um microprocessador clássico lançado em 1974, fabricado usando um processo NMOS no modo de aprimoramento e mostra várias características exclusivas relacionadas a esse processo, como a exigência de um relógio de duas fases e três trilhos de potência: -5 V, +5 V e +12 V.

Na descrição do pino de energia da Wikipedia, diz

Pino 2: GND (V _SS ) - Terra

Pino 11: -5 V (V _BB ) - A fonte de alimentação de -5 V. Essa deve ser a primeira fonte de energia conectada e a última desconectada, caso contrário, o processador será danificado.

Pino 20: +5 V (V _CC ) - A fonte de alimentação de + 5 V.

Pino 28: +12 V (V _DD ) - A fonte de alimentação de +12 V. Essa deve ser a última fonte de alimentação conectada e desconectada.

Fiz uma referência cruzada à folha de dados original , mas as informações são um pouco contraditórias.

Máximo absoluto :

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

Mesmo que V _BB seja 0 V quando não estiver conectado, V _DD seria +17 V e não deve exceder o máximo absoluto. É a alegação original na Wikipedia de que um chip Intel 8080 seja destruído se +12 V for conectado antes de -5 V correto?

Se estiver correto, qual é o mecanismo exato de falha se eu fizer isso? Por que o chip seria destruído se +12 V fosse aplicado primeiro sem -5 V? Eu suspeito que deve ter algo a ver com o processo NMOS no modo de aprimoramento, mas não sei como os semicondutores funcionam.

Você poderia explicar como a fonte de alimentação é implementada internamente no Intel 8080? O problema existia entre outros chips da mesma época, criados usando um processo semelhante?

Além disso, se eu precisar projetar uma fonte de alimentação para o Intel 8080, digamos, usando três reguladores de tensão, como evito danos ao chip se o trilho de +12 V aumentar antes de -5 V?

No processo usado para o 8080, +12 forneceu a tensão primária para a lógica, +5 forneceu a tensão para a lógica de pino de E / S (que deveria ser compatível com TTL, limitando assim a sinais de 0 -> 5 volts) e - 5 foi conectado ao substrato. A última tensão assegurava que todos os dispositivos ativos no CI permanecessem isolados, mantendo um viés reverso nas junções PN que os separavam do substrato comum de silício.

Se algum sinal de E / S ficasse "abaixo" da tensão do substrato, poderia potencialmente conduzir a junção de isolamento para uma condição de travamento do tipo SCR, com a corrente contínua contínua resultante potencialmente destruindo o dispositivo. A sequência necessária para ligar e desligar as três tensões da fonte de alimentação foi planejada para minimizar esse risco.

Como uma resposta anterior apontou corretamente, na prática, os projetistas de sistemas correram rápido e livres com esse requisito. Basicamente, o mais importante era alimentar o restante da lógica do sistema com a mesma fonte +5 que acionava a CPU, para que no mínimo as tensões aplicadas aos pinos de entrada da CPU nunca fossem maiores que a fonte "+5" da CPU, ou menor que a fonte "-5" da CPU e para garantir que a fonte "+12" seja igual ou superior à fonte "+5 em todos os momentos. Às vezes, um diodo de potência schottky era conectado entre essas tensões, para manter relacionamento, por exemplo, durante o desligamento.

Normalmente, os valores das tampas dos filtros eletrolíticos para os três suprimentos eram escolhidos de modo que -5 e +12 aumentassem rapidamente, e +5 ficava um pouco depois.

Os refinamentos do processo MOS permitiram que projetos posteriores de IC fossem alimentados apenas por +5 e, se fosse necessária uma voltagem negativa do substrato, ela era gerada no chip por um pequeno circuito da bomba de carga. (por exemplo, 2516 EPROM vs. 2508, 8085 cpu vs. 8080.)

Não tenho uma resposta completa para você, mas o 8080 foi um dos primeiros chips da Intel a usar um processo NMOS, e não o processo PMOS dos chips 4004, 4040 e 8008. No NMOS, o substrato deve ser o ponto mais negativo de todo o circuito, para garantir que as junções de isolamento de outros elementos do circuito sejam polarizadas de maneira inversa.

Portanto, suspeito que a fonte de -5V, entre outras coisas, esteja diretamente ligada ao substrato e, se as outras tensões forem fornecidas sem esse viés presente, haverá todos os tipos de caminhos de condução não intencionais através do chip, muitos dos quais poderiam levar travar e autodestruir.

Para responder à sua última pergunta, se sua fonte de alimentação não tiver o sequenciamento correto por projeto, você precisará de um sequenciador separado - um circuito que exija que a fonte de -5V esteja presente antes de permitir que as outras tensões atinjam o chip.

Para fazer eco de alguns comentários sobre sua pergunta, não me lembro de nenhum cuidado especial sendo tomado nos sistemas atuais baseados no 8080.

No entanto, esses sistemas geralmente eram construídos com quatro fontes de alimentação - ou mais precisamente, dois pares de fontes de alimentação: ± 5V e ± 12V (-12V teriam sido usados ​​em qualquer interface serial), cada um acionado por um enrolamento de transformador e um retificador de ponte . Teria sido natural que os suprimentos de 5V aparecessem antes dos suprimentos de 12V - e desses dois, -5V seria mais rápido que + 5V, sendo muito menos carregado.

Então (novamente, eu acho), as fontes de alimentação "simplesmente funcionaram" em termos de sequenciamento, ou o perigo não era realmente tão grave quanto os autores de folha de dados que você acreditaria.

se eu precisar projetar uma fonte de alimentação para o Intel 8080, digamos, usando três reguladores de tensão, como evito danos ao chip se o trilho de + 12v aumentar antes de -5v?

Com um pouco de cuidado, você poderá evitar essa situação. o CPU consome muito pouca corrente em -5V, portanto, com um capacitor de filtro de tamanho grande, ele naturalmente aumenta rapidamente e diminui lentamente.

Pode-se fazer com que + 12V suba mais devagar, com uma tensão não regulamentada mais baixa, que fornece menos 'espaço livre' e menor capacitância em relação ao consumo de corrente, para que caia mais rapidamente. Um resistor sangrador garantirá que a tensão caia rápido o suficiente, mesmo com carga baixa.

Simulei a fonte de alimentação no Altair 8800 . Todas as tensões de alimentação subiram praticamente juntas em 4ms de ligação. Ao desligar, a fonte de + 12V caiu primeiro, seguida pela fonte de + 5V e depois pela fonte de -5V.

Aqui está o primeiro ciclo de alimentação ao ligar: -

E aqui está o desligamento após 60 ciclos principais: -

O circuito de -5V do Altair fica assim: -

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

A combinação de alta tensão CC não regulada (em relação a 5V), grande capacitância do filtro e carga leve fornece um tempo de subida rápida e um tempo de queda lenta.

A fonte de + 12V do Altair possui um circuito semelhante, mas 12V não é muito menor que 16V, então a tensão cai abaixo de 12V mais rapidamente (também ajudada pelo maior consumo de corrente da fonte de + 12V).