مضخات شحن صغيرة في 8086 تولد جهدًا سلبيًا

صورة مكبرة للرقاقة 8086 ؛ قالب السيليكون والأسلاك السلكية مرئية



أنتج المعالج الدقيق Intel 8086 الثوري ، الذي تم تقديمه في عام 1978 ، مجموعة كاملة من معالجات x86 التي لا تزال تستخدم في أجهزة كمبيوتر سطح المكتب والخوادم حتى اليوم. تم بناء الشريحة على دوائر رقمية ، ولكنها تحتوي أيضًا على دوائر تمثيلية: مولدات مضخة شحن تعمل على تحويل مصدر طاقة المعالج بجهد 5 فولت إلى جهد سلبي لزيادة الأداء. أقوم بإجراء هندسة عكسية لـ 8086 استنادًا إلى صورة من الكريستال ، وفي هذا المنشور أصف تصميم مولدات مضخة الشحن هذه وكيفية عملها.



بالمعنى الدقيق للكلمة ، بالطبع ، الشريحة بأكملها مصنوعة من مكونات تمثيلية. كما يقول المثل القديم ، "أجهزة الكمبيوتر الرقمية مصنوعة من مكونات تمثيلية". مؤلفها هو مهندس DEC Don Vonada ، وقد نُشرت أقواله في مجلة Computer Engineering في عام 1978.

الامثال الهندسية لفونادا

1. لا توجد "أرض".
2. أجهزة الكمبيوتر الرقمية مصنوعة من مكونات تمثيلية.
3. تعمل نماذج الدوائر دائمًا.
4. أولاً ، يتم تطوير الشروط المؤقتة المعتمدة ، ثم يتم العثور على الشروط غير المعتمدة.
5. إذا تم تبديل الكل باستثناء واحد في مجموعة الموصلات ، فإنه يتم التبديل أيضًا.
6. إذا تم تبديل جميع المفاتيح في مجموعة البوابة باستثناء مفتاح واحد ، فسيتم تبديلها أيضًا.
7. كل بيكوفاراد لها النانو الخاصة بها.
8. تقوم المكثفات بتحويل أخطاء الجهد إلى أخطاء التيار (قانون الحفاظ على الطاقة).
9. – , , .
10. .
11. – , .
12. .
13. , .
14. 95% . 5% — .

صورة من بلورة المعالج الدقيق 8086. على اليسار توجد وحدة ALU والسجلات. أسفل اليمين - ROM مع الرمز الصغير. الرابط مع الصورة يفتح صورة أكبر. اتبع هذا الرابط - الصورة الأصلية (10000 × 10000 بكسل ، 24 ميجابايت - لا تناسب التخزين العشوائي).



تُظهر الصورة أعلاه شريحة صغيرة 8086 تحت المجهر. تظهر طبقة معدنية أعلى الرقاقة ، والتي يتم إخفاء السيليكون تحتها. على طول الحافة الخارجية ، يمكنك رؤية أسلاك اللحام التي تربط وسادات التلامس من الكريستال بـ 40 جهة اتصال خارجية للرقاقة. ولكن إذا نظرت عن كثب ، يمكنك أن ترى أن البلورة بها 42 موقعًا. لماذا يحتاج اثنين إضافيين؟



دائرة متكاملة مبنية على ركيزة من السيليكون يتم تطبيق الترانزستورات عليها. بالنسبة إلى الدوائر المتكاملة عالية السرعة ، قد يكون من المفيد تطبيق جهد تحيز سلبي على الركيزة.لهذا الغرض ، العديد من الرقائق من السبعينيات لها اتصال خارجي ، والذي يتم تزويده بجهد 5 فولت ، ولكن لم يكن من الملائم للمهندسين استخدام مصدر طاقة إضافي. وبحلول أواخر السبعينيات ، تم تطوير دوائر لمولد مضخة الشحن مباشرة على الشريحة ، والتي الجهد السالب في مكانه. تستخدم هذه الشرائح مصدرًا مناسبًا منفردًا + 5



فولت ، وكل المهندسين سعداء.يحتوي جهد التحيز السلبي على العديد من المزايا.يقلل من السعة الطفيلية ، مما يؤدي إلى تسريع الشريحة ، ويجعل جهد عتبة الترانزستورات أكثر قابلية للتنبؤ ، ويقلل من تيار التسرب.



غالبًا ما تتطلب شرائح DRAM والمعالجات الدقيقة المبكرة ثلاثة جهد إمداد: +5 V (Vcc) و +12 V (Vdd) و -5 V (Vbb). في أواخر السبعينيات ، أتاحت التحسينات في تقنية الرقائق استخدام جهد واحد. على سبيل المثال ، تطلب MK4116 (16K bit DRAM من Mostek 1977) ثلاثة جهد كهربي ، كما أن MK4516 (1981) المحسّن يعمل بجهد واحد + 5 فولت ، مما يبسط تصميم الدائرة. من المضحك أن بعض الشرائح الأحدث تحتوي على دبابيس Vbb و Vcc غير متصلة بأي شيء للتوافق مع الإصدارات السابقة.



اتخذت رقائق ذاكرة Intel مسارًا مشابهًا: استخدم DRAM 2116 (16 كيلوبايت ، 1977) ثلاثة فولتات ، بينما استخدم 2118 المحسن (1979) جهدًا واحدًا فقط. وبالمثل ، استخدم المعالج الدقيق Intel 8080 الشهير (1974) قنوات MOSFET المستحثة وتطلب ثلاثة جهد كهربي للعمل. اتخذ المعالج الدقيق Motorola 6800 (1974) نهجًا مختلفًا ، حيث يعمل بجهد إمداد واحد ؛ على الرغم من أن 6800 تم بناؤه باستخدام ترانزستور من الطراز القديم ، إلا أنه لم يكن بحاجة إلى طاقة خارجية + 12 فولت حيث قام بتطبيق مضاعف الجهد في المكان.



الوسادات الإضافية على رقاقة 8086 مطلوبة لتطبيق جهد التحيز على الركيزة. تُظهر الصورة في بداية المقال موقع بلورة السيليكون على الشريحة ، مع توصيل أسلاك التوصيل بلوحة الاتصال التي تشكل جهات الاتصال الخارجية. تُظهر الصورة مربعين رماديين صغيرين أعلى وأسفل. كل واحد منهم متصل بأحد المواقع "الإضافية". تولد مضخة الشحن الموجودة على رقاقة 8086 جهدًا سلبيًا يمر عبر أسلاك إزالة اللحام إلى هذه المربعات ، ثم من خلال اللوحة المعدنية أسفل الركيزة 8086.

كيف تعمل مولدات مضخة الشحن

في الصورة أدناه ، تم تمييز مولدين لضخ شحنة المعالج 8086. سننظر في الجزء العلوي ؛ يعمل الجزء السفلي بنفس الطريقة ، حيث يتم ترتيبه ببساطة بشكل مختلف ليناسب المساحة المتاحة. يحتوي كل مولد على دائرة تشغيل ومكثف كبير ولوحة بسلك يربطها بالركيزة. يقع كل مولد بجوار إحدى الوساحتين الأرضيتين 8086 ، ربما لتقليل الضوضاء الكهربائية.





صورة لشريحة 8086 مع مولدات جهد متحيز كبيرة الحجم



قد تتساءل كيف تحول مضخة الشحن الجهد الموجب إلى جهد سالب. الحيلة في استخدام مكثف "الطيران"، الرسم البياني أدناه. على اليسار ، المكثف مشحون بـ 5 فولت. افصله وقم بتوصيل الجانب الموجب بالأرض. لا يزال المكثف يحتوي على شحنة 5 فولت ، لذلك يجب أن يوصل الجزء السفلي من المكثف -5 فولت. عن طريق التبديل السريع للمكثف بين الحالتين ، تولد مضخة الشحن جهدًا سالبًا.







تستخدم مضخة الشحن 8086 MOSFET والصمامات الثنائية لتبديل المكثف بين الحالات ، ومولد لدفع الترانزستور كما هو موضح في الرسم البياني أدناه. يتكون المولد الحلقي من ثلاثة محولات متصلة في حلقة (حلقة). نظرًا لأن عدد المحولات فردي ، فإن النظام غير مستقر ومتقلب. إذا كان لديه عدد زوجي من العاكسات ، فسيكون مستقرًا في إحدى الحالتين. تُستخدم هذه التقنية في السجلات 8086 - يتم تخزين زوج من العاكسات قليلاً.



على سبيل المثال ، إذا تلقى العاكس الأول 0 ، فسيخرج 1 ، والمخرج الثاني سيكون 0 ، والمخرج الثالث 1. هذا يبدل العاكس الأول ، وهذا التبديل يتحرك في حلقة ، مما يؤدي إلى التذبذب. لإبطاء سرعة التذبذب ، يتم إدخال دائرتين RC في الحلقة... نظرًا لأنه يستغرق بعض الوقت لشحن وتفريغ المكثف ، فإن التذبذب يتباطأ ، مما يمنح مضخة الشحن وقتًا للعمل.



حاولت قياس تردد مضخة الشحن من خلال النظر إلى تيار الشريحة للتذبذب. لقد قمت بقياس التقلبات عند 90 ميجاهرتز ، لكنني أظن أنني أستطيع بالفعل قياس الضوضاء.





دائرة مولد مضخة شحن في Intel 8086 تنتج جهد انحياز سلبي على الركيزة



تأتي مخرجات المكثف إلى مشغل مكثف الترانزستور. تعمل الخطوة الأولى على تشغيل الترانزستور العلوي ، والذي يجبر المكثف على الشحن خلال الصمام الثنائي الأول حتى 5 فولت بالنسبة إلى الأرض. في الخطوة الثانية ، يحدث كل السحر. يتم تشغيل الترانزستور السفلي ، ويربط الجزء العلوي من المكثف بالأرض. نظرًا لأن المكثف لا يزال مشحونًا حتى 5 فولت ، يجب أن يسلم الجزء السفلي -5 فولت ، مما يعطينا الجهد السالب الذي نريده. يتدفق التيار عبر الصمام الثنائي الثاني وسلك اللحام إلى الركيزة. عندما يتحول المذبذب مرة أخرى ، يتم تشغيل الترانزستور العلوي وتتكرر الدورة. تسمى مضخة الشحن لأنها تضخ الشحنة من المخرج إلى الأرض. تشبه الثنائيات صمامات عزل مضخة المياه من حيث أنها تحرك الشحنة في الاتجاه الصحيح.



بالطبع ، لقد قمت بتبسيط مخطط العمل قليلاً. نظرًا لانخفاض الجهد عبر الترانزستور ، سيكون جهد الركيزة -3 فولت ، وليس -5 فولتًا. إذا احتاجت الشريحة إلى انخفاض جهد أعلى ، فيمكنك عمل سلسلة من عدة مولدات لمضخة الشحن. عندما أتحدث عن اتجاه المولد ، أعني اتجاه التيار. إذا تخيلت ضخ الإلكترونات ، فافترض إذن أن الإلكترونات سالبة الشحنة تضخ في الاتجاه المعاكس في الركيزة.

التنفيذ في السيليكون

توضح الصورة أدناه تنفيذ مولد مضخة الشحن على الشريحة. تُظهر الصورة أعلاه الموصلات المعدنية ، والتي يوجد تحتها بولي سيليكون محمر. يوجد أدناه السيليكون البيج. يوجد في الوسط المكثف الرئيسي ، مع موصلات على شكل حرف H تربطه بالدائرة على اليسار. جزء من المكثف مخفي تحت مسار طاقة معدني عريض في الأعلى. على اليمين ، سلك العبور متصل باللوحة. يوجد نمط اختبار تحت الوسادة - مربع لكل قناع يستخدم لتطبيق الطبقة التالية على الشريحة.





مضخة شحن طبقة معدنية



بعد إزالة الطبقة المعدنية ، يصبح الرسم التخطيطي أكثر وضوحًا. النصف الأيمن من الصورة مشغول بمضخة شحن كبيرة مكثف. إنه ، بالطبع ، مجهري ، لكنه ضخم بمعايير الرقاقة - يمكن مقارنته تقريبًا بسجل 16 بت. يتكون المكثف من عديد السيليكون فوق السيليكون مع أكسيد عازل بينهما. يشكل البولي سيليكون والسيليكون ألواح المكثف. على اليسار يوجد مكثف أصغر ومقاومات تعطي المولد تأخيرًا في RC. تحتها دائرة المولد والترانزستورات.



يتم تجميع المولد من 13 ترانزستور. سبعة ترانزستورات تشكل 3 محولات (يحتوي ترانزستور واحد على عاكس إضافي لتيار خرج إضافي). من بين ستة ترانزستورات المحرك ، يقوم اثنان بسحب الإخراج لأعلى وأربعة لأسفل. تختلف الدائرة بشكل غريب عن دائرة العاكس العادية لأن المتطلبات الحالية تختلف عن المنطق الرقمي العادي.





المكونات الرئيسية لمضخة الشحن 8086. تمت إزالة الطبقة المعدنية وظهرت طبقات البولي سيليكون والسيليكون.



إحدى الميزات المثيرة للاهتمام لمضخة الشحن هي وجود صمامين ثنائيين ، كل منهما به ثمانية ترانزستورات متباعدة على فترات منتظمة. يوضح الرسم البياني أدناه هيكل الترانزستور. يمكن اعتبار الترانزستور على أنه مفتاح يسمح للتيار بالتدفق بين قسميه ، المصدر والصرف. يتم التحكم في الترانزستور بواسطة بوابة مصنوعة من نوع خاص من السيليكون ، البولي سيليكون. يسمح جهد البوابة العالي للتيار بالتدفق بين المصدر والصرف ، بينما تمنع البوابة المنخفضة التيار. يمكن دمج هذه الترانزستورات الصغيرة لتشكيل بوابات منطقية - مكونات المعالجات الدقيقة والرقائق الرقمية الأخرى. ومع ذلك ، في هذه الحالة ، يتم استخدام الترانزستورات كثنائيات.





هيكل الترانزستورات المطبق في IC



تُظهر الصورة أدناه منظرًا علويًا للترانزستور في مولد مضخة الشحن. كما في الرسم التخطيطي ، يشكل البولي سيليكون بوابة بين المناطق المخدرة بالسيليكون على كلا الجانبين. يمكن صنع الصمام الثنائي من هيكل MOS عن طريق توصيل البوابة والتصريف من خلال تقاطع السيليكون / البولي سيليكون الموجود في الجزء السفلي من الصورة. يمكن أيضًا ربط السيليكون بالطبقة المعدنية من خلال جهات الاتصال. بالنسبة لهذه الصورة ، تمت إزالة الطبقة المعدنية ، لكن الدوائر الباهتة المتبقية تشير إلى موقع جهات الاتصال من خلال.





ترانزستور في دائرة مولد مضخة الشحن. تفصل بوابة البولي سيليكون مصدر واستنزاف الترانزستور.



يوضح الرسم البياني أدناه كيف يتم تجميع اثنين من الثنائيات من 16 ترانزستور. لدعم تيار كبير نسبيًا لمولد مضخة الشحن ، يتم استخدام 8 ترانزستورات متوازية في كل صمام ثنائي. لاحظ أن الترانزستورات المجاورة لها مصدر وصرف مشترك ، ولهذا السبب كانت معبأة بإحكام. تشير الخطوط الزرقاء إلى مكان وجود الأسلاك المعدنية - تمت إزالتها من هذه الصورة. الدوائر المظلمة هي الأماكن التي يوجد فيها تلامس بين المعدن والسيليكون.





تحتوي مضخة الشحن على صمامين ، كل منهما مصنوع من 8 ترانزستورات. يتم تحديد المصدر والبوابة والصرف بالأحرف S و G و D.



ونتيجة لذلك ، فإن أصول أفضل ثمانية ترانزستورات متصلة بالأرض بواسطة سلك معدني. ترتبط بواباتها ومصارفها بواسطة البولي سيليكون تحت الترانزستورات ، ونتيجة لذلك يتم الحصول على الثنائيات منها. وهي متصلة بالمكثف بسلك معدني. تشكل الترانزستورات الثمانية السفلية الصمام الثنائي الثاني. ترتبط بواباتها ومصارفها بحلقة معدنية سفلية. لاحظ كيف تم تحسين تخطيط العناصر ؛ على سبيل المثال ، يتم ثني المؤخرات حتى لا تلمس من خلال جهات الاتصال.

خاتمة

يعد مولد التحيز الموجود على شريحة 8086 مزيجًا مثيرًا للاهتمام من دائرة رقمية (مولد حلقي مكون من محولات) ومضخة شحن تناظرية. قد يبدو وكأنه جهاز منسي منذ زمن طويل من تاريخ أجهزة الكمبيوتر في السبعينيات ، ولكنه موجود في الواقع في الدوائر المتكاملة الحديثة أيضًا. في الرقائق الحديثة ، تعد هذه دائرة أكثر تعقيدًا ، حيث يتم ضبطها بعناية لتوفير العديد من الفولتية القابلة للتعديل في المناطق التي تحتوي على مصادر طاقة منفصلة. في بعض النواحي ، يشبه العمارة x86 التي بدأت طريقها في السبعينيات وأصبحت أكثر شهرة اليوم ، ولكن كجزء من التحسين المستمر في الكفاءة ، نما تعقيدها بشكل لا يصدق.



اليوم ، تُباع مولدات جهد التحيز كأفكار ملكية جاهزة .- يمكنك شراء دائرة كهذه المولد وإدخالها في مشروع الرقاقة الخاص بك (انظر الروابط 1 ، 2 ، 3 ، 4 ، 5 ، 6 ). حتى أن هناك معيار طاقة IEEE 1801 يمكن لأدوات تصميم الدوائر المتكاملة أن تولد الدوائر المطلوبة.



يحتوي المعالج الرياضي Intel 8087 المتصل بـ 8086 أيضًا على مولد جهد التحيز الخاص به. إنه يعمل على نفس المبادئ ، ومع ذلك ، من الغريب أنه يستخدم دائرة مختلفة مع 5 محولات.