Winzige 8086-Ladungspumpen, die eine negative Spannung erzeugen

Vergrößertes Foto des 8086-Chips; Siliziumchip und Kabel sichtbar Der



revolutionäre Intel 8086-Mikroprozessor, der 1978 eingeführt wurde, brachte eine ganze Familie von x86-Prozessoren hervor, die heute noch in Desktop- und Servercomputern verwendet werden. Der Chip basiert auf digitalen Schaltkreisen, enthält jedoch auch analoge Schaltkreise: Ladungspumpengeneratoren, die die 5-V-Stromversorgung des Prozessors in eine negative Spannung umwandeln, um die Leistung zu steigern. Ich entwickle einen 8086 auf der Grundlage eines Fotos des Kristalls zurück und beschreibe in diesem Beitrag das Design dieser Ladungspumpengeneratoren und ihre Funktionsweise.



Genau genommen besteht der gesamte Chip natürlich aus analogen Komponenten. Wie das alte Sprichwort sagt: "Digitale Computer bestehen aus analogen Komponenten." Sein Autor ist der DEC-Ingenieur Don Vonada, und seine Aphorismen wurden 1978 in der Zeitschrift Computer Engineering veröffentlicht.

Vonadas technische Aphorismen

1. Es gibt kein "Land".
2. Digitale Computer bestehen aus analogen Komponenten.
3. Schaltungsprototypen funktionieren immer.
4. Zuerst werden genehmigte vorübergehende Bedingungen entwickelt und dann nicht genehmigte gefunden.
5. Wenn alle bis auf einen Schalter in einer Leitergruppe sind, wird auch geschaltet.
6. Wenn alle bis auf einen Schalter in der Gate-Gruppe geschaltet sind, schaltet er auch.
7. Jeder Picofarad hat seine eigene Nanogenese.
8. Kondensatoren wandeln Spannungsfehler in Stromfehler um (Energieeinsparungsgesetz).
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Foto des Kristalls des 8086-Mikroprozessors. Links befinden sich die ALU und die Register. Unten rechts - ROM mit Mikrocode. Der Link mit dem Foto öffnet ein größeres Foto. Folgen Sie diesem Link - das Originalfoto (10.000 × 10.000 px, 24 MB - passt nicht auf Habrastorage).



Das Foto oben zeigt einen winzigen 8086-Chip unter einem Mikroskop. Auf dem Chip ist eine Metallschicht sichtbar, unter der Silizium verborgen ist. Entlang der Außenkante sehen Sie die Lötdrähte, die die Kontaktflächen des Kristalls mit 40 externen Kontakten des Chips verbinden. Wenn Sie genau hinschauen, können Sie sehen, dass der Kristall 42 Stellen hat. Warum braucht er zwei extra?



Eine integrierte Schaltung ist auf einem Siliziumsubstrat aufgebaut, auf das Transistoren aufgebracht sind. Für Hochgeschwindigkeits-ICs ist es nützlich, eine negative Vorspannung an das Substrat anzulegen."Dafür haben viele Chips aus den 1970er Jahren einen externen Kontakt, der mit 5 V versorgt wird, aber es war für Ingenieure unpraktisch, eine zusätzliche Stromquelle zu verwenden. In den späten 1970er Jahren wurden Schaltkreise für einen Ladungspumpengenerator direkt auf dem Chip entwickelt, die es ermöglichten, diese zu erhalten Negative Spannung vorhanden. Solche Chips verwenden die praktische Einzel- +



5-V-Versorgung , und alle Ingenieure sind zufrieden. Das Hinzufügen einer negativen Vorspannung hat mehrere Vorteile. Sie verringert die parasitäre Kapazität, wodurch der Chip schneller wird, die Schwellenspannung von Transistoren vorhersehbarer wird und der Leckstrom verringert wird.



Frühe DRAM- und Mikroprozessorchips erforderten häufig drei Versorgungsspannungen: +5 V (Vcc), +12 V (Vdd) und -5 V (Vbb). In den späten 1970er Jahren ermöglichten Verbesserungen in der Chiptechnologie die Verwendung einer einzigen Spannung. Zum Beispiel benötigte der MK4116 (16K-Bit-DRAM von Mostek von 1977) drei Spannungen, und der verbesserte MK4516 (1981) arbeitete mit einer einzigen + 5V, was das Schaltungsdesign vereinfachte. Es ist lustig, dass einige der neueren Chips Vbb- und Vcc-Pins hatten, die aus Gründen der Abwärtskompatibilität mit nichts verbunden waren.



Intels Speicherchips gingen einen ähnlichen Weg: DRAM 2116 (16 KB, 1977) verwendete drei Spannungen, während der verbesserte 2118 (1979) nur eine verwendete. In ähnlicher Weise verwendete der berühmte Intel 8080-Mikroprozessor (1974) induzierte Kanal-MOSFETs und benötigte drei Spannungen, um zu arbeiten. Der Mikroprozessor Motorola 6800 (1974) verfolgte einen anderen Ansatz und arbeitete mit einer einzigen Versorgungsspannung. Obwohl der 6800 mit einem Transistor alten Stils gebaut wurde, benötigte er keine +12 V externe Stromversorgung, da ein Spannungsverdoppler installiert war.



Die zwei zusätzlichen Pads auf dem 8086-Chip werden benötigt, um eine Vorspannung an das Substrat anzulegen. Das Foto am Anfang des Artikels zeigt die Position des Siliziumkristalls auf dem Chip, wobei Überbrückungsdrähte ihn mit dem Kontaktpad verbinden, das die externen Kontakte bildet. Das Foto zeigt zwei kleine graue Quadrate oben und unten. Jeder von ihnen ist mit einer der "zusätzlichen" Sites verbunden. Die Ladungspumpe auf dem 8086-Chip erzeugt eine negative Spannung, die durch die Entlötdrähte zu diesen Quadraten und dann durch die Metallplatte unter dem 8086-Substrat fließt.

Funktionsweise von Ladungspumpengeneratoren

Auf dem Foto unten sind zwei Generatoren zum Pumpen der Ladung des 8086-Prozessors hervorgehoben. Wir werden den oberen betrachten. Das untere funktioniert genauso, es ist einfach anders angeordnet, um in den verfügbaren Raum zu passen. Jeder Generator hat eine Treiberschaltung, einen großen Kondensator und ein Pad mit einem Draht, der ihn mit dem Substrat verbindet. Jeder Generator befindet sich neben einem der beiden Erdungspads des 8086, wahrscheinlich um elektrische Störungen zu minimieren.





Foto eines 8086-Chips mit übergroßen Vorspannungsgeneratoren



Sie fragen sich möglicherweise, wie die Ladungspumpe eine positive Spannung in eine negative Spannung umwandelt. Der Trick zur Verwendung eines "fliegenden" Kondensators, dessen Diagramm unten ist. Links wird der Kondensator auf 5 V aufgeladen. Trennen Sie ihn und verbinden Sie die positive Seite mit Masse. Der Kondensator hat immer noch eine Ladung von 5 V, daher sollte die Unterseite des Kondensators -5 V liefern. Durch schnelles Umschalten des Kondensators zwischen den beiden Zuständen erzeugt die Ladungspumpe eine negative Spannung.







Die 8086-Ladungspumpe verwendet einen MOSFET und Dioden, um den Kondensator zwischen Zuständen umzuschalten, und einen Generator, um den Transistor anzusteuern - wie in der folgenden Abbildung gezeigt. Der Ringgenerator besteht aus drei Wechselrichtern, die in einer Schleife (Ring) verbunden sind. Da die Anzahl der Wechselrichter ungerade ist, ist das System instabil und schwankt. Wenn es eine gerade Anzahl von Wechselrichtern hätte, wäre es in einem von zwei Zuständen stabil. Diese Technik wird in den Registern 8086 verwendet - ein Paar Wechselrichter speichert ein bisschen.



Wenn der erste Wechselrichter beispielsweise 0 empfängt, gibt er 1 aus, der zweite Ausgang ist 0 und der dritte Ausgang 1. Dadurch wird der erste Wechselrichter geschaltet, und diese Umschaltung bewegt sich in einer Schleife, was zu einer Schwingung führt. Um die Geschwindigkeit der Schwingung zu verlangsamen, werden zwei RC-Schaltungen in den Ring eingefügt... Da das Laden und Entladen des Kondensators einige Zeit in Anspruch nimmt, verlangsamt sich die Schwingung und die Ladungspumpe hat Zeit zum Betrieb.



Ich habe versucht, die Frequenz der Ladungspumpe zu messen, indem ich den Chipstrom auf Schwingung untersucht habe. Ich habe die Fluktuation bei 90 MHz gemessen, aber ich vermute, ich könnte das Rauschen tatsächlich messen.





Schaltung eines Ladungspumpengenerators in einem Intel 8086, der eine negative Vorspannung auf dem Substrat erzeugt



Die Ausgänge des Kondensators kommen zum Transistorkondensatortreiber. Der erste Schritt schaltet den oberen Transistor ein, wodurch der Kondensator gezwungen wird, sich durch die erste Diode auf 5 V in Bezug auf Masse aufzuladen. Im zweiten Schritt geschieht die ganze Magie. Der untere Transistor schaltet sich ein und verbindet die Oberseite des Kondensators mit Masse. Da der Kondensator immer noch auf 5 V aufgeladen ist, sollte der Boden -5 V liefern, was uns die gewünschte negative Spannung gibt. Der Strom fließt durch die zweite Diode und den Lötdraht zum Substrat. Wenn der Oszillator wieder schaltet, schaltet sich der obere Transistor ein und der Zyklus wiederholt sich. Die Ladungspumpe wird so genannt, weil sie die Ladung vom Auslass zum Boden pumpt. Dioden sind Wasserpumpen-Absperrventilen insofern ähnlich, als sie die Ladung in die richtige Richtung bewegen.



Natürlich habe ich das Arbeitsschema ein wenig vereinfacht. Aufgrund des Spannungsabfalls am Transistor beträgt die Substratspannung -3 V und nicht -5 V. Wenn der Chip einen höheren Spannungsabfall benötigt, können Sie eine Kaskade mehrerer Ladungspumpengeneratoren erstellen. Wenn ich über die Richtung des Generators spreche, meine ich die Richtung des Stroms. Wenn Sie sich vorstellen, Elektronen zu pumpen, nehmen Sie an, dass negativ geladene Elektronen in entgegengesetzter Richtung in das Substrat gepumpt werden.

Implementierung in Silizium

Das Foto unten zeigt die Implementierung des Ladungspumpengenerators auf dem Chip. Das Foto oben zeigt die Metallleiter, unter denen sich ein rötliches Polysilicium befindet. Unten ist beige Silikon. In der Mitte befindet sich der Hauptkondensator mit H-förmigen Leitern, die ihn links mit dem Stromkreis verbinden. Ein Teil des Kondensators ist oben unter dem breiten Metallstrompfad verborgen. Rechts ist das Überbrückungskabel mit dem Pad verbunden. Unter dem Pad befindet sich ein Testmuster - ein Quadrat für jede Maske, mit der die nächste Schicht auf den Chip aufgetragen wird.





Metallschicht-Ladungspumpe



Nach dem Entfernen der Metallschicht wird das Diagramm besser sichtbar. Die rechte Hälfte des Fotos ist mit einem großen Ladungspumpenkondensator belegt. Es ist natürlich mikroskopisch klein, aber für Chip-Standards riesig - ungefähr vergleichbar mit einem 16-Bit-Register. Der Kondensator besteht aus Polysilicium über dem Silizium, zwischen dem sich ein isolierendes Oxid befindet. Polysilicium und Silicium bilden die Kondensatorplatten. Auf der linken Seite befinden sich ein kleinerer Kondensator und Widerstände, die dem Generator eine RC-Verzögerung verleihen. Unter ihnen befindet sich die Generatorschaltung und die Transistoren.



Der Generator besteht aus 13 Transistoren. Sieben Transistoren bilden drei Wechselrichter (ein Transistor verfügt über einen zusätzlichen Wechselrichter für zusätzlichen Ausgangsstrom). Von den sechs Treibertransistoren ziehen zwei den Ausgang nach oben und vier nach unten. Die Schaltung unterscheidet sich merkwürdigerweise von einer normalen Wechselrichterschaltung, da sich die Stromanforderungen von der normalen digitalen Logik unterscheiden.





Schlüsselkomponenten der 8086-Ladepumpe: Die Metallschicht wurde entfernt und die Polysilicium- und Siliziumschichten sind sichtbar.



Ein interessantes Merkmal der Ladungspumpe sind zwei Dioden, von denen jede aus acht Transistoren besteht, die in regelmäßigen Abständen voneinander beabstandet sind. Das folgende Diagramm zeigt den Aufbau des Transistors. Ein Transistor kann als Schalter betrachtet werden, der den Stromfluss zwischen seinen beiden Abschnitten, der Source und der Drain, ermöglicht. Der Transistor wird von einem Gate gesteuert, das aus einem speziellen Siliziumtyp, Polysilicium, besteht. Eine hohe Gate-Spannung ermöglicht den Stromfluss zwischen Source und Drain, während ein niedriges Gate den Strom blockiert. Diese winzigen Transistoren können zu Logikgattern kombiniert werden - Komponenten von Mikroprozessoren und anderen digitalen Chips. In diesem Fall werden jedoch Transistoren als Dioden verwendet.





Die Struktur der in IC implementierten Transistoren



Das Foto unten zeigt eine Draufsicht auf den Transistor im Ladungspumpengenerator. Wie im Diagramm bildet Polysilicium auf beiden Seiten ein Gate zwischen dotierten Siliciumbereichen. Eine Diode kann aus einer MOS-Struktur hergestellt werden, indem das Gate und der Drain durch den Silizium / Polysilizium-Übergang verbunden werden, der sich am unteren Rand des Fotos befindet. Silizium kann auch durch Kontakte mit der Metallschicht verbunden werden. Bei diesem Foto wurde die Metallschicht entfernt, aber die verbleibenden schwachen Kreise zeigen die Position der Durchgangskontakte an.





Ein Transistor in der Ladungspumpengeneratorschaltung. Ein Polysilicium-Gate trennt Source und Drain des Transistors.



Das folgende Diagramm zeigt, wie zwei Dioden aus 16 Transistoren zusammengesetzt sind. Um einen relativ großen Strom des Ladungspumpengenerators zu unterstützen, werden in jeder Diode 8 parallele Transistoren verwendet. Beachten Sie, dass die benachbarten Transistoren eine gemeinsame Source und Drain haben, weshalb sie so dicht gepackt waren. Blaue Linien markieren, wo sich die Metalldrähte befanden - sie wurden für dieses Foto entfernt. Die dunklen Kreise sind die Stellen, an denen Durchkontakte zwischen Metall und Silizium bestanden.





Die Ladungspumpe hat zwei Dioden mit jeweils 8 Transistoren. Source, Gate und Drain sind durch die Buchstaben S, G und D gekennzeichnet.



Infolgedessen sind die Ursprünge der oberen acht Transistoren durch einen Metalldraht mit Masse verbunden. Ihre Gates und Drains sind durch Polysilicium unter den Transistoren verbunden, wodurch Dioden von ihnen erhalten werden. Sie sind mit einem Metalldraht mit dem Kondensator verbunden. Die acht unteren Transistoren bilden die zweite Diode. Ihre Tore und Abflüsse sind durch eine untere Metallschleife verbunden. Beachten Sie, wie das Layout der Elemente optimiert wurde. Beispielsweise sind die Reithosen gebogen, um die Durchgangskontakte nicht zu berühren.

Fazit

Der Vorspannungsgenerator auf dem 8086-Chip ist eine interessante Kombination aus einer digitalen Schaltung (einem Ringgenerator aus Wechselrichtern) und einer analogen Ladungspumpe. Es mag wie ein längst vergessenes Gerät aus der Geschichte der Computer in den 1970er Jahren erscheinen, aber tatsächlich ist es auch in modernen ICs vorhanden. In modernen Chips ist dies eine viel komplexere Schaltung, die sorgfältig abgestimmt wurde, um mehrere einstellbare Vorspannungen in Bereichen mit separaten Stromversorgungen bereitzustellen. In gewisser Weise ähnelt es der x86-Architektur, die in den 1970er Jahren ihren Anfang nahm und heute noch populärer geworden ist, aber als Teil der ständigen Verbesserung der Effizienz ist ihre Komplexität unglaublich gewachsen.



Heute werden Vorspannungsgeneratoren als handelsübliche Ideen verkauft.- Sie können einen Stromkreis eines solchen Generators kaufen und in Ihr Chipprojekt einfügen (siehe Links 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 ). Es gibt sogar einen Leistungsstandard nach IEEE 1801 , mit dem IC-Designtools die erforderlichen Schaltungen erzeugen können.



Der an den 8086 angeschlossene Intel 8087 Mathe- Coprozessor verfügt außerdem über einen eigenen Vorspannungsgenerator. Es funktioniert nach den gleichen Prinzipien, verwendet jedoch seltsamerweise eine andere Schaltung mit 5 Wechselrichtern.