8086芯片的放大照片；可见的硅芯和电线布线
1978年推出的革命性英特尔8086微处理器催生了整个x86处理器系列，如今它们仍在台式机和服务器计算机中使用。该芯片基于数字电路，但它也包含模拟电路：电荷泵发生器，可将处理器的5 V电源转换为负电压以提高性能。我基于晶体的照片对8086进行了反向工程，在这篇文章中，我将介绍这些电荷泵发生器的设计及其工作方式。
当然，严格来说，整个芯片是由模拟组件制成的。俗话说，“数字计算机由模拟组件制成”。它的作者是DEC工程师Don Vonada，他的箴言在1978年发表在《计算机工程》杂志上。
沃纳达的工程格言
8086微处理器晶体的照片，左侧是ALU和寄存器。右下角-带有微码的ROM。带有照片的链接会打开较大的照片。请点击此链接-原始照片（10,000×10,000 px，24 MB-不适用于habrastorage）。
上面的照片在显微镜下显示了一个很小的8086芯片。在芯片顶部可见金属层，在该金属层下隐藏了硅。沿着外边缘，您可以看到将晶体的接触垫与芯片的40个外部触点相连的焊线。但是如果仔细观察，您会发现该晶体有42个位点。为什么他需要额外的两个？
集成电路被构建在其上施加有晶体管的硅衬底上。对于高速IC，将负偏压施加到基板上可能很有用。为此，许多1970年代的芯片都有一个外部触点，该触点提供5 V电压，但工程师使用额外的电源很不方便，到1970年代后期，电荷泵发生器的电路直接在芯片上开发，负电压就位。这类芯片使用便利的单+
5V电源，所有工程师都很满意。增加负偏置有几个优点：它减少了寄生电容，这使芯片更快，使晶体管的阈值电压更可预测，并减少了电流泄漏
早期的DRAM和微处理器芯片通常需要三个电源电压：+5 V（Vcc），+ 12 V（Vdd）和-5 V（Vbb）。 1970年代后期，芯片技术的进步使使用单个电压成为可能。例如，MK4116（来自Mostek 1977的16K位DRAM）需要三个电压，而经过改进的MK4516（1981）则以一个+ 5V的电压工作，从而简化了电路设计。有趣的是，某些较新的芯片没有将Vbb和Vcc引脚连接到任何东西以实现向后兼容性。
英特尔的存储芯片遵循类似的路径：DRAM 2116（16 KB，1977）使用三种电压，而改进的2118（1979）仅使用一种电压。同样，著名的英特尔8080微处理器（1974年）使用感应沟道MOSFET，并且需要三个电压才能工作。微处理器Motorola 6800（1974）采用了一种不同的方法，即以单电源供电。尽管6800是用老式晶体管制造的，但由于它实现了一个倍压器，因此不需要+ 12V外部电源。
需要8086芯片上的两个额外焊盘将偏置电压施加到基板上。文章开头的照片显示了硅晶体在芯片上的位置，跳线将其连接到形成外部触点的接触垫上。照片显示了上方和下方的两个灰色小方块。它们每个都连接到“额外”站点之一。8086芯片上的电荷泵产生负电压，该负电压通过拆焊线到达这些正方形，然后再通过8086基板下方的金属板。
电荷泵发电机如何工作
在下面的照片中，突出显示了两个用于抽取8086处理器电荷的生成器，我们将考虑上面的一个。下部的工作方式相同，只是以不同的方式布置以适合可用空间。每个发生器都有一个驱动器电路，一个大电容器和一个带有将其连接到基板的导线的焊盘。每个发生器都位于8086的两个接地焊盘之一附近，可能是为了最大程度地减少电气噪声。
带有超大偏置电压发生器的8086芯片的照片
您可能想知道电荷泵如何将正电压变成负电压。使用“飞”电容的技巧，其图如下。在左侧，电容器被充电至5V。断开电容器的连接，并将正极侧接地。电容器仍具有5V电荷，因此电容器的底部应提供-5V电压，通过在两种状态之间快速切换电容器，电荷泵会产生负电压。
8086电荷泵使用MOSFET和二极管在状态之间切换电容器，并使用发生器驱动晶体管-如下图所示。环形发生器由三个连接成环（环形）的逆变器组成。由于逆变器的数量为奇数，因此系统不稳定且会波动。如果它具有偶数个逆变器，它将在两种状态之一中保持稳定。寄存器8086中使用了此技术-一对反相器存储一个位。
例如，如果第一个反相器接收到0，它将输出1，第二个输出将是0，第三个输出1。这将切换第一个反相器，并且该切换会循环运动，从而导致振荡。为了减慢振荡速度，将两个RC电路插入环中...由于电容充电和放电需要一些时间，因此振荡会变慢，从而使电荷泵有时间工作。
我试图通过查看芯片电流是否振荡来测量电荷泵的频率。我测量了90 MHz时的波动，但是我怀疑我实际上可以测量噪声。
英特尔8086中电荷泵发生器的电路，在基板上提供负偏置电压
电容器的输出到达晶体管电容器驱动器。第一步打开顶部晶体管，该晶体管迫使电容器通过第一二极管充电至相对于地面的5V。在第二步中，所有魔术都发生了。底部晶体管导通，并将电容器的顶部接地。由于电容器仍被充电至5V，因此底部应提供-5V，这将为我们提供所需的负电压。电流流过第二二极管和焊锡丝到达基板。当振荡器再次切换时，上部晶体管导通并且循环重复。电荷泵之所以称为电荷泵，是因为它将电荷从出口泵送到地面。二极管与水泵隔离阀的相似之处在于，它们会沿正确的方向移动电荷。
当然，我已经稍微简化了工作计划。由于晶体管两端的电压降，基板电压将为-3 V，而不是-5V。如果芯片需要更高的电压降，则可以级联多个电荷泵发生器。当我谈论发电机的方向时，是指电流的方向。如果您想象泵浦电子，请假设带负电的电子沿相反方向泵入基板。
在硅中实现
下图显示了芯片上电荷泵发生器的实现。上面的照片显示了金属导体，在其下方有带红色的多晶硅。下面是米色硅。中间是主电容器，H形导体将其连接到左侧的电路。电容器的一部分隐藏在顶部的宽金属电源路径下。在右侧，跨接线连接到焊盘。焊盘下方有一个测试图案-每个掩模的正方形，用于将下一层施加到芯片上。
金属层电荷泵
去除金属层后，该图变得更加可见。照片的右半部分被一个大的电荷泵电容器占据。当然，它的大小很小，但是按照芯片标准，它是巨大的-大致可与16位寄存器媲美。电容器由硅上方的多晶硅组成，其间插入绝缘氧化物。多晶硅和硅形成电容器极板。左侧是较小的电容器和电阻器，可为发电机提供RC延迟。在它们下面是发生器电路和晶体管。
发电机由13个晶体管组装而成。七个晶体管构成3个反相器（一个晶体管具有一个附加反相器，用于附加输出电流）。在六个驱动器晶体管中，有两个将输出拉高，将四个拉低。该电路与常规逆变器电路奇怪地不同，因为电流要求与常规数字逻辑不同。
8086电荷泵的关键组件：金属层已被去除，多晶硅和硅层可见。
电荷泵的一个有趣特征是有两个二极管，每个二极管有八个以规则间隔排列的晶体管。下图显示了晶体管的结构。晶体管可以看作是允许电流在其两个部分（源极和漏极）之间流动的开关。晶体管由特殊类型的硅，多晶硅制成的栅极控制。高栅极电压允许电流在源极和漏极之间流动，而低栅极阻止电流。这些微型晶体管可以组合形成逻辑门-微处理器和其他数字芯片的组件。然而，在这种情况下，晶体管被用作二极管。
IC中实现的晶体管结构
下图显示了电荷泵发生器中晶体管的顶视图。如图所示，多晶硅在两侧的硅掺杂区之间形成栅极。通过通过位于照片底部的硅/多晶硅结连接栅极和漏极，可以由MOS结构制成二极管。硅也可以通过接触结合到金属层。对于此照片，金属层已被去除，但其余的淡圆形指示直通触点的位置。
电荷泵发生器电路中的晶体管。多晶硅栅极将晶体管的源极和漏极分开。
下图显示了如何用16个晶体管组装两个二极管。为了支持电荷泵发生器的较大电流，每个二极管中使用8个并联晶体管。请注意，相邻的晶体管具有相同的源极和漏极，这就是为什么它们如此紧密封装的原因。蓝线标记了金属线的位置-这张照片已将其删除。黑眼圈是金属和硅之间存在直通接触的地方。
电荷泵有两个二极管，每个二极管由8个晶体管组成。源极，栅极和漏极由字母S，G和D标识。
结果，前八个晶体管的原点通过金属线接地。它们的栅极和漏极在晶体管下方通过多晶硅连接，因此可以从它们获得二极管。它们通过金属线连接到电容器。八个下部晶体管形成第二二极管。它们的栅极和漏极通过下部金属环连接。注意如何优化元素的布局；例如，马裤弯曲成不接触直通触点。
结论
8086芯片上的偏置发生器是数字电路（由反相器组成的环形发生器）和模拟电荷泵的有趣组合。从1970年代的计算机历史来看，它似乎是一个被遗忘的设备，但实际上，它也存在于现代IC中。在现代芯片中，这是一个复杂得多的电路，经过精心调整以在具有独立电源的区域中提供多个可调偏置电压。在某些方面，它类似于1970年代开始使用的x86架构，并在今天变得越来越流行，但是作为效率不断提高的一部分，其复杂性已令人难以置信地增长。
偏置发生器今天作为现成的专有创意进行销售-你可以买到这种发电机的电路并将其插入到你的芯片项目（见链接1，2，3，4，5，6）。IC设计工具甚至可以生成IEEE 1801电源标准，以生成所需的电路。与8086相连
的Intel 8087数学协处理器也有自己的偏置电压发生器。它的工作原理相同，但奇怪的是，它使用具有5个反相器的不同电路。