Tại sao logic PMOS / NMOS cũ cần nhiều điện áp?

26

Tại sao logic PMOS / NMOS cũ cần nhiều điện áp như +5, -5 và +12 volt? Ví dụ: bộ xử lý Intel 8080 cũ, DRAM cũ, v.v.

Tôi quan tâm đến các nguyên nhân ở cấp độ vật lý / bố cục. Mục đích của các điện áp bổ sung này là gì?

_{Vâng, câu hỏi này là về những thứ đã được sử dụng 35 năm trước.}

— BarsMonster
nguồn

13

8080 sử dụng công nghệ chỉ nMOS (không có CMOS = pMOS và nNMOS). Khi bạn chỉ sử dụng các thiết bị nMOS (hoặc pMOS), bạn có một vài lựa chọn để xây dựng một ô biến tần logic (xem chương 6.6 trong tài liệu này , câu trả lời của tôi mượn rất nhiều về nguồn này):

bóng bán dẫn nMOS và điện trở kéo lên. Đơn giản, nhưng không tốt trên IC vì điện trở sẽ chiếm nhiều không gian trên silicon.
Transitor nMOS và một bóng bán dẫn nMOS thứ hai, bão hòa thay cho điện trở kéo lên. Không tệ, nhưng điện áp đầu ra mức cao sẽ giữ một ngưỡng điện áp V _GS, thấp hơn điện áp cung cấp. (Lưu ý: V _{GS, th} là điện áp giữa cổng của FET và nguồn sẽ chỉ bật FET.)
Transitor nMOS và một bóng bán dẫn thứ hai, không bão hòa (= tuyến tính) thay cho điện trở kéo lên. Điện áp đầu ra mức cao sẽ xoay quanh V _DD , nhưng điều này phải trả thêm chi phí cho một điện áp bổ sung V _GG với V _GG > V _DD + V _{GS, th} . Đây là lý do cho đường sắt +12 V.
Transitor nMOS với một bóng bán dẫn loại n thứ hai, chế độ cạn kiệt thay cho điện trở tải. Không cần thêm đường ray cung cấp, nhưng công nghệ tinh vi hơn vì hai bóng bán dẫn pha tạp khác nhau cần phải được chế tạo trên cùng một con chip.

Có vẻ như 8080 sử dụng tùy chọn số 3.

Lý do cho đường ray âm (-5 V) có thể là độ lệch cần thiết cho cấu hình cascode. Điều này sẽ tăng tốc độ chuyển đổi với chi phí của một đường ray cung cấp bổ sung. Tôi chỉ có thể đoán ở đây vì tôi không tìm thấy bất kỳ nguồn nào nói với tôi rằng 8080 thực sự sử dụng các giai đoạn kết nối cascode. Bao gồm các cascode sẽ là một câu chuyện khác; cấu hình này được sử dụng cho các bộ khuếch đại tuyến tính, công tắc logic, bộ dịch mức hoặc công tắc nguồn .

— cá ngựa vằn
nguồn

một ngưỡng điện áp dưới điện áp cung cấp - Một cái gì? Bao nhiêu là một "ngưỡng điện áp"?

— Kevin Vermeer

@KevinVermeer: Nếu mức V (GS) tối thiểu cần thiết để thực hiện NFE là 2 volt và điện áp cổng cao nhất có sẵn là 5 volt, thì dòng nguồn của đầu ra sẽ giảm xuống không có gì khi điện áp đầu ra tăng lên 3 volt (5V-2V).

— supercat

Tôi thấy ... Bây giờ nó có ý nghĩa hơn ... Nhưng cấu hình cascode là gì? Ngoài ra, có lẽ -5V sẽ được kết nối với số lượng lớn để giúp chống ô nhiễm natri (= ion di động)?

— BarsMonster

Việc tôi đoán điện áp âm (-5 V) thực sự rất mơ hồ và tôi không biết chắc chắn liệu 8080 có sử dụng công tắc cascode hay nếu chất nền bị sai lệch. Điều làm cho vấn đề tồi tệ hơn là các tìm kiếm cho "cung cấp tiêu cực" và 8080 hoặc logic xuất hiện rất nhiều lượt truy cập trong đó thuật ngữ "tiêu cực" được sử dụng cho mục đích chung hoặc chung. Điều đó không thực sự sai, nhưng nó không giúp ích gì trong trường hợp này.

— cá ngựa vằn

13

Dưới đây là một ví dụ về mạch cổng NMOS NAND "chế độ cạn kiệt" mà tôi tìm thấy trên Wikipedia (tiếng Đức):

Cổng NMOS NAND - hình ảnh phạm vi công cộng của người dùng Wikipedia Biezl

Các bóng bán dẫn trên được sử dụng trong chế độ cạn kiệt để cung cấp tải gần đúng với nguồn hiện tại và cân bằng thời gian tăng và giảm. Do điện áp ngưỡng cao hơn của công nghệ MOS sớm, có thể cần nguồn cung cấp 12 V để cung cấp độ lệch thích hợp cho cổng của điện trở tải. Nguồn cung cấp -5 V có thể đã được sử dụng để phân cực cổng sau (hoặc nút cơ chất) của tất cả các FET để có được chúng trong chế độ vận hành mong muốn.

Tôi đang biến đây thành một câu trả lời Wiki vì một số điều tôi đã nói là suy đoán chứ không phải sự thật phũ phàng và tôi chắc chắn ai đó ở đây có thể cải thiện hoặc sửa chữa cho tôi.

— Photon
nguồn

Để biết giá trị của nó, chip video của Atari 2600 chạy gần hết +5, nhưng có một đầu vào được điều khiển với một nồi được kết nối với nguồn 9V. Đầu vào đó điều khiển các cổng của chế độ tăng cường kéo theo chuỗi 30 bộ biến tần có thời gian lan truyền trung bình khoảng 10ns (khá nhanh theo tiêu chuẩn trong ngày, tôi nghĩ rằng, không có tín hiệu nào khác phải truyền qua bất cứ nơi nào gần đó cổng trong một chu kỳ đồng hồ).

— supercat

Một nhận xét khác là các pull-up chế độ nâng cao: thiết bị kéo lên thực tế lý tưởng trong logic NMOS sẽ là một nguồn dòng không đổi có khả năng mang dòng không bị giảm khi điện áp đầu ra tăng. Thật không may, nếu một cổng FET ở mức 5 volt, VGS sẽ giảm một nửa khi nguồn đã đạt tới 2,5 volt. Ngược lại, nếu cổng ở mức 12 volt, thì đầu ra có thể đạt 4 volt trong khi VGS vẫn bằng 2/3 so với khi đầu ra ở trên mặt đất.

— supercat

4

Tôi đã thiết kế cho công nghệ 12 volt NMOS vài năm trước. Nó sử dụng các bóng bán dẫn kênh n bão hòa cho các pull-up. Theo mô tả của một người đóng góp trước đó (Danh sách mục số 2 trong câu trả lời này ), điều này giới hạn điện áp đầu ra ở mức thấp hơn một Vt so với VDD. Nguồn cung cấp 5 volt được sử dụng để giao tiếp với TTL. Nguồn cung cấp -5V được sử dụng để phân cực chất nền và đưa Vt đến một giá trị hữu ích. Nếu không có điện áp phân cực thì Vt khoảng 0V.

— điện thoại di động
nguồn

+1, tôi đã không nghĩ về lý do chính xác này để sử dụng + 12V (cho logic bên trong) và +5 (để giao thoa giữa các mức + 12-Vt H bên trong để làm sạch các mức + 5V TTL H).

— zebonaut

Bạn có biết tại sao Vt rất thấp mà không thiên vị? Đó có phải là do vấn đề ô nhiễm? (Kim loại kiềm và như vậy)

— BarsMonster

3

Câu trả lời ngắn gọn là, bạn cần nghiên cứu cách bố trí mạch của một thiết bị phù hợp để xem thiết kế, và từ đó bạn có thể tìm ra lý do tại sao.

Cảm giác ruột của tôi là thiết kế yêu cầu giao tiếp với 5v TTL, nhưng bản thân thiết bị sẽ không hoạt động ở điện áp này, chính xác là cách thức hoạt động của nó đòi hỏi một ví dụ phù hợp để nghiên cứu.

Điều này nói dễ hơn làm, vì tôi có thể tìm thấy rất ít chi tiết trên web.

Những gì tôi đã tìm thấy là rất nhiều thông tin về 8008, trước 8080 vài năm, thông tin này bao gồm ... một sơ đồ một phần, mà bạn có thể tìm thấy ở đây.

http: //www.8008 sync.com/Intel_MSC-8_April_1975.pdf

Hãy xem qua trang 29 và 30 (đây là số trang của pdf, không phải hướng dẫn quét bằng tay) và thậm chí trang 5 nếu bạn muốn xem nó được xây dựng như thế nào.

Bạn có thể tìm thêm thông tin ở đây.

http: //www.8008 sync.com/intellecMDS_schIAL.pdf

Tôi không mong đợi bất kỳ tiền thưởng nào cho việc này, vì tôi đã không trả lời trực tiếp câu hỏi, nhưng tôi hy vọng nó chỉ cho bạn con đường chính xác.

— Andy H
nguồn