处理器，微小的电荷泵产生负电压
1978年推出的革命性的Intel8086微处理器导致了今天大多数台式机和服务器计算中使用的x86处理器。正如你所预期的那样，这种芯片是由数字电路构建的。但它也有模拟电路：电荷泵，它可以将8086的5伏电源转换为负电压，以提高性能。1I'；一直在逆向工程的8086芯片的照片，在这篇文章中，我讨论了这些电荷泵的结构和它们是如何工作的。
8086微处理器的模具照片。算术逻辑单元和寄存器在左侧。微码ROM在右下角。单击以获取高分辨率图像。
上面这张照片显示的是显微镜下8086处理器的微型硅晶片。芯片顶部的金属层是可见的，下面隐藏着硅。在芯片的外缘周围，将芯片上的焊盘连接到芯片的40个外部引脚上。然而，仔细检查发现，芯片上有42个焊盘，而不是40个。为什么多了两个呢？
集成电路从硅衬底开始，晶体管建立在硅衬底上。对于高性能集成电路，在衬底上施加负偏置电压是有益的。2为了获得这种衬底偏置电压，在20世纪70年代，许多芯片都有一个外部引脚连接到-5V，3但是这个额外的电源对使用这些芯片的工程师来说并不方便。然而，到了70年代末，片上电荷泵电路被设计成内部产生负电压。这些芯片使用一个方便的+5V电源，让工程师们更高兴。
8086芯片的特写，显示硅芯片和将其连接到引线框架的焊接线。
在8086芯片上，两个额外的焊盘将负偏置电压馈送到基板。上图显示的是芯片中安装的硅芯片，焊线连接到形成引脚的引线框架。仔细观察，芯片上下有两个灰色的小方块；每个都连接到一个额外的焊盘。8086芯片上的电荷泵产生负电压，该电压通过焊线传递到这些正方形，然后通过下面的金属板到达8086晶片。8086芯片上的电荷泵产生负电压，该负电压通过焊线传递到这些正方形，然后通过下面的金属板连接到8086芯片上的引线框架。8086芯片上的电荷泵产生负电压，该电压通过焊线传递到这些正方形，然后通过下面的金属板到达8086芯片。
下面的照片突出显示了8086中的两个电荷泵。我将讨论顶部的电荷泵；底部的电荷泵具有相同的电路，但布局不同，以适应可用的空间。每个电荷泵都有驱动电路、一个大电容和一个焊盘，焊线连接到基板上。每个电荷泵都位于8086的两个接地焊盘中的一个旁边，想必是为了将电气噪音降到最低。
你可能想知道电荷泵是如何把正电压变成负电压的。诀窍是一个飞翔的电容器，如下所示。在左边，电容器充电到5伏。现在，断开电容器并将正端连接到地。电容器仍有5伏充电，所以现在低端必须是-5伏。通过在两种状态之间快速切换电容器，电荷泵产生负电压。
在左边，飞行电容器充电到5伏。通过将地切换到上端，电容器现在输出-5伏。(来源)。
8086和8086的电荷泵电路使用MOSFET晶体管和二极管在两种状态之间切换电容器，由振荡器控制晶体管，如下图所示。环形振荡器由三个逆变器组成一个环路(或环)连接。由于逆变器的数量是奇数，系统不稳定，会振荡。5例如，如果第一个逆变器的输入为0，则其输出将为1，第二个输出将为0，第三个输出将为1。这将翻转第一个逆变器，翻转将通过引起振荡的环路。为了降低振荡速率，在环中插入了两个电阻-电容网络。由于电容器需要一些时间来充电和放电，因此振荡将会减慢，从而使电荷泵有时间运行。4.。
Intel 8086中用于提供负衬底偏置的电荷泵原理图。
环形振荡器的输出被馈送到驱动电容器的晶体管。在第一步中，打开上部晶体管，使电容器通过第一个二极管充电到相对于地的5伏。第二步是魔术发生的地方。较低的晶体管接通，将电容器的高端连接到地。由于电容器仍然充电到5伏，电容器的低端现在必须是-5伏，从而产生所需的负电压。当振荡器再次翻转时，上部晶体管接通，循环重复。电荷泵得名，因为它将电荷从输出端泵送到地。6二极管类似于水泵中的止回阀，以确保电荷沿正确方向移动。
下面的照片显示了电荷泵在芯片上的实现。在这张照片中，可以看到顶部的金属布线，下面是微红色的多晶硅，底部是米色的硅。主要电容器在中央可见，H形线将其连接到左侧的电路。(电容器的一部分隐藏在顶部宽广的金属电源线下面。)在右侧，衬底键合线连接到焊盘。测试图案在焊盘下方；每个掩模都有一个正方形。
去掉金属层，下面更清楚地显示了电路。大的电荷泵电容器占据了照片的右半部分。虽然是微观的，但这个电容器按照芯片标准是很大的，大约16位寄存器的大小。电容器是由硅区上的多晶硅组成的，由绝缘氧化物隔开；多晶硅和硅形成电容器的极板。左边是较小的电容器和为振荡器提供R-C延迟的电阻器。下面是振荡器电路和驱动晶体管。7个。
8086电荷泵，显示关键部件。为了显示下面的硅和多晶硅，这张照片中的金属已经被移走了。
电荷泵的一个有趣的特点是两个二极管，每个二极管由8个晶体管组成，形成规则的图案。下图显示了晶体管的结构。硅的区域被掺入杂质以产生具有所需特性的扩散区域。晶体管可以被看作是一个开关，允许电流在称为源极和漏极的两个扩散区域之间流动。晶体管由栅极控制，栅极由一种称为多晶硅的特殊类型的硅制成。栅极上的高电压允许电流在源极和漏极之间流动，而低电压阻止电流流动。这些微小的晶体管可以组合成逻辑门、微处理器的组件和其他数字芯片。但在这种情况下，晶体管被用作二极管。
下面的照片显示了电荷泵中的一个晶体管，从上面看。如图所示，多晶硅形成了两侧硅扩散区之间的栅极。通过照片底部的硅/多晶硅连接将栅极和漏极连接在一起(详细信息)，可以由MOSFET形成二极管。硅也可以通过通孔连接到金属层。在这张照片中，金属层被移除，但模糊的圆圈表示硅/金属通孔的位置。
电荷泵电路中的晶体管。多晶硅栅极在两边分隔晶体管的源极和漏极。
下图显示了两个二极管是如何由16个晶体管实现的。为了支持电荷泵的相对高电流，每个二极管并联使用了8个晶体管。请注意，相邻的晶体管共享源极或漏极区域，允许晶体管密集封装。蓝线表示金属线；在此照片中移除了金属。黑圈表示金属和硅之间的连接(通孔)。
电荷泵有两个二极管，每个用8个晶体管实现。源极、栅极和漏极用S、G和D表示。
把所有这些放在一起，上面的八个晶体管的源极通过一根金属线连接到地面。它们的栅极和漏极通过晶体管下面的多晶硅连接在一起，使它们成为二极管，它们通过金属线连接到电容器。下面的8个晶体管形成第二个二极管；它们的栅极和漏极通过下面的金属线环路连接在一起。请注意布局是如何优化的；例如，栅极具有弯曲的形状，以避免通孔(黑点)。
8086芯片9上的衬底偏置发生器是数字电路(由反相器形成的环形振荡器)和模拟电荷泵的有趣组合。虽然偏置发生器似乎是20世纪70年代计算机历史上鲜为人知的一部分，但偏置产生仍然是现代集成电路的一部分。在现代芯片中，它要复杂得多，因为现代芯片在多个电源域具有多个精心调节的偏置。8在某种意义上，它类似于x86体系结构，这种体系结构始于20世纪70年代，今天甚至更加流行，但为了追求更高的性能，它变得难以想象地变得更加复杂。
如果你对8086感兴趣，我早些时候写过关于8086芯片、它的芯片缩小过程和8086寄存器的文章。我计划在以后的博客文章中更详细地分析8086，所以请在Twitter@kenshiriff或RSS上关注我的更新。
严格地说，整个芯片都是模拟的：有一句老话说，数字计算机是由模拟部件制成的。这句话出自DEC工程师唐·沃纳达之口，并于1978年发表在DEC的“计算机工程”杂志上。
在衬底上施加负偏压有几个好处。它减少了寄生电容，使芯片速度更快，使晶体管阈值电压更可预测，并减少了泄漏电流。-↩。
早期的DRAM存储芯片和微处理器芯片通常需要三个电源：+5V(Vcc)，+12V(Vdd)和-5V(Vbb)。在20世纪70年代末，芯片技术的进步允许使用单一电源。例如，Mostek'；的MK4116(1977年的16K比特DRAM)需要三个电压，而改进的MK4516(1981)只使用+5V的电源，简化了硬件设计。的存储芯片遵循类似的路线，2116DRAM(16K，1977)使用3个电压，改进的2118(1979)使用1个电压。同样，著名的Intel8080微处理器(1974)使用增强型晶体管，需要3个电压。改进的8085型(1976)使用耗尽型晶体管，由单+5V电源供电。摩托罗拉6800型微处理器(1974年)对单电源使用不同的方法；虽然6800型是由较旧的增强负载晶体管建造的，但它通过实现片上倍压器(一种增加电压的电荷泵)避免了+12电源。-↩。
我试着通过观察芯片的电流来测量电荷泵的频率，看看电荷泵引起的波动。我测量了90兆赫的波动，但我怀疑我测量的是噪音，而不是电荷泵的振荡。-↩。
因为电路有奇数个反相器，所以它会振荡。另一方面，如果它有偶数个逆变器，它将在两个不同的状态下稳定。这种技术用在寄存器中：一对反相器存储每个位(详细信息)。-↩。
我稍微简化了电荷泵的讨论。由于晶体管的电压下降，衬底电压可能在-3V左右，而不是-5V左右。(如果芯片需要更大的电压下降，可以级联电荷泵级。)对于泵浦方向，i&39；m指的是电流。如果你把它想象成泵浦电子，负电子正被反方向泵入衬底。--↩。
振荡器由13个晶体管组成。7个晶体管组成3个逆变器(一个逆变器有一个额外的晶体管提供额外的输出电流。6个驱动晶体管由2个晶体管拉高输出和4个晶体管拉低输出组成。布局与正常的逆变器电路有奇怪的不同，可能是因为电流要求不同于正常的数字逻辑。)↩。
偏置发生器现在以IP块的形式提供，可以获得许可并插入到芯片设计中。有关现代芯片中偏置的更多信息，请参阅主体偏置、多偏压域实现或本演示文稿。甚至还有标准的IEEE1801电源格式，允许IC设计工具生成必要的电路。-↩。
与8086配套的数学协处理器芯片Intel8087也有一个衬底偏置发生器，它使用相同的原理，但出乎意料地有不同的电路，使用了5个反相器。我在这里写了详细的内容。--↩