[Перевод] Реверс-инжиниринг старой микросхемы OR/NOR
Не так давно я получил фотографию кристалла загадочной схемы OQ100 [1] от EvilMonkeyDesignz. Я проанализировал её и обнаружил, что это чип логики, реализованный на быстрой ECL (эмиттерно-связанная логика) схеме и датируемый, вероятно, началом 1970-х годов. Чип содержит три логических элемента, два с 2 входами и один с 4 входами. Каждый элемент имеет неинвертированный и инвертированный выходы, работая как вентили OR и NOR. Эта статья резюмирует мои исследования. (Недавно я также проанализировал OQ104, другой чип из этой серии.)
Фотография кристалла микросхемы Philips QC100. Фото предоставленоEvilMonkeyDesignz.
На фотографии выше представлен чип под микроскопом. Большая часть кремния на изображении имеет ярко-розовый цвет. Области кремния с различным легированием имеют зеленые или желтоватые оттенки и образуют транзисторы и резисторы микросхемы. Пятнистые области — это металлический слой поверх кремния, связывающий компоненты. Черные провода по краям соединяют микросхему с внешними контактами.
Компоненты чипа
Транзисторы — это ключевые компоненты микросхемы. В этом чипе используется тип, называемый NPN-транзисторами. На фото ниже показано, как транзистор выглядит на микросхеме. Под фотографией находится рисунок в разрезе, показывающий примерную структуру. На самом деле транзистор устроен сложнее, чем простой N-P-N сэндвич из книжек, однако если внимательно посмотреть на рисунке под букву E, то можно заметить слои N-P-N, которые и образуют транзистор. Контакт эмиттера (E) соединен с N+ кремнием. Ниже располагается слой P, соединенный с контактом базы (B). А под ним находится слой N, соединенный с коллектором ©.
Структура NPN-транзистора. Вверху: транзистор на кристалле. Внизу: схема в разрезе.
В чипе также используется несколько PNP-транзисторов. Хотя может показаться, что PNP-транзистор является просто перевернутым NPN-транзистором, на самом деле он имеет другую структуру, основанную не на вертикальном расположении областей, а на горизонтальном. Коллектор и база образуют концентрические квадратные кольца вокруг эмиттера. Контакт базы не подключен напрямую к области базы. Вместо этого контакт находится на расстоянии, а сигнал базы проходит внизу, через слой N.
Структура PNP-транзистора. Вверху: транзистор на кристалле. Внизу: схема в разрезе.
С PNP-транзисторами на этой микросхеме есть еще одна сложность. Коллектор разделен, поэтому у транзистора два коллектора. Причем один из коллекторов подключен напрямую к базе. На фото выше можно увидеть, как область коллектора разделена по вертикали, поэтому имеется один коллектор слева и один справа, соединенный с базой. Эта конструкция может показаться причудливой, однако она является довольно распространенной в интегральных схемах. Её цель заключается в построении токового зеркала, в котором оба коллектора пропускают одинаковый ток.
Другими ключевыми компонентами этой микросхемы являются резисторы. На фото ниже изображены два резистора на кристалле. Резисторы состоят из полосок кремния P, имеющего более-высокое сопротивление и представленного розовым цветом на фото. Каждый конец резистора соединен с металлическим слоем; металл в середине соединяет два резистора последовательно. (Металлическая дорожка также проходит через резистор, но не соединяется с ним.) Чем длиннее и уже резистор, тем выше сопротивление, поэтому данные резисторы имеют относительно высокое сопротивление [2]. Непосредственно на схеме резисторы довольно крупные и неточные.
Два резистора на кристалле.
Схема
Компоненты были распознаны, теперь можно переходить к реверс-инжинирингу. Но прежде чем описать полную схему, я объясню, как работает ECL (Эмиттерно-связанная логика) [3]. На схеме ниже показана дифференциальная пара или пара с длинным хвостом, которая усиливает разницу между двумя входами. (Эта схема также распространена в аналоговых схемах, составляя основу операционного усилителя.) Основная идея заключается в том, что приемник тока (круг внизу) генерирует фиксированный ток I . Этот ток разделяется между левым путем (I1 ) и правым путем (I2 ). Если транзистор слева имеет более высокое входное напряжение, чем транзистор справа, большая часть тока пойдет по левому пути. Но если транзистор справа имеет более высокий вход, большая часть тока будет идти по правому пути. Эта схема усиливает разницу напряжений: даже небольшая разница между двумя входами переключит большую часть тока с одной стороны на другую.
Схема простой схемы дифференциальной пары. Приемник тока передает фиксированный ток I через дифференциальную пару. Если два входа равны, ток делится поровну между двумя ветвями. В противном случае большая часть тока будет приходиться на ветвь с более высоким входным напряжением.
Чтобы превратить пару в логический элемент OR, можно поместить несколько транзисторов слева. Если на каком-либо из входов высокий уровень, ток будет переключен влево, в противном случае ток переключится вправо. Поскольку ток понижает эту сторону до низкого уровня, левая ветвь будет выходом NOR, а правая ветвь — выходом OR. (С ECL вы получаете инвертированные и прямые выходы «бесплатно».) На схеме ниже показана реализация одного логического элемента; это вентиль с двумя входами. Вторая дифференциальная пара используется для буферизации и усиления выходных сигналов. Схема приемника тока обсуждается в сноске [4].
Схема одного логического элемента.
На диаграмме ниже показана реализация на кристалле вентиля с четырьмя входами. Большая часть площади занята приемником тока и соответствующими резисторами. NPN- и PNP-транзисторы относительно компактны, а вот резисторы занимают много места. Внизу четыре входных транзистора реализуют функцию OR вместе с опорным транзистором на другой ветви. Выходные транзисторы больше по размеру, поэтому они могут обеспечивать больший ток.
Один логический элемент с отмеченными функциональными блоками.
На диаграмме ниже показано расположение трех логических элементов на кристалле. (Элемент, описанный выше, находятся справа.) Резисторы делителя напряжения обеспечивают опорное напряжение для источников тока.
Кристалл с отмеченными основными функциональными блоками.
На схеме ниже показано, как схема микросхемы соответствует его 16 контактам. Три логических элемента ИЛИ представлены символами ИЛИ; ворота справа имеют четыре входа. Каждый вентиль имеет неинвертированный выход и инвертированный выход, который обозначен пузырьком. Я не знаю, какое напряжение принимает микросхема, поэтому я обозначил выводы питания знаками + и -.
Собрав все вместе, на приведенной ниже диаграмме показано, как схема микросхемы отображается на ее 16 выводах. Три элемента ИЛИ представлены символами ИЛИ; элемент справа имеет четыре входа. Каждый вентиль имеет неинвертированный выход и инвертированный выход, который обозначен пузырьком. Я не знаю, какое напряжение принимает чип, поэтому я обозначил контакты питания + и -.
На рисунке ниже показано, как схема соотносится с 16-ю контактами. Три логических элемента OR представлены соответствующими символами; каждый элемент имеет 4 входа. Также у элементов есть неинвертированный и инвертированный выход, обозначенный кружком. Мне неизвестно, как напряжение принимает чип, поэтому я обозначил контакты питания + и -.
Распиновка микросхемы.
Примечания
- Читатель рассказал, что Philips использовала обозначение OQ для своих нестандартных интегральных схем. Это могло бы объяснить, почему я не смог найти эти чипы в справочнике.
- Сопротивление резистора пропорционально длине, деленной на ширину. Чтобы понять это, обратите внимание, что область с двойной длиной равносильна двум резисторам, соединенным последовательно, поэтому ее сопротивление в два раза больше. Область с двойной шириной аналогичная двум резисторам, соединенным параллельно, поэтому ее сопротивление в два раза меньше.
- Логическая схема на этой микросхеме имеет несколько отличий от стандартных элементов ECL. Типичный элемент ECL имеет входы на одной ветви и опорное напряжение, подключенное к транзистору на другой ветви. Таким образом, вход, превышающий опорное напряжение, представляет собой логическую 1, а входной сигнал ниже опорного напряжения — логический 0. Однако здесь выход первой ветви подается в качестве входа на вторую ветвь. Если на входе высокий уровень, он подтягивает этот выход к низкому уровню, перекрывая другую ветвь. И наоборот, если вход низкий, выход становится высоким, включая вторую ветвь.
Я не знаю, что стало причиной такого дизайна. Это немного похоже на NTL (непороговая логика), поскольку здесь нет порога, установленного опорным напряжением. Возможно схема реализует триггер Шмитта, схему с гистерезисом, где при включении схемы вход должен опуститься значительно ниже для её выключения.
Второе отличие этой схемы от типичного элемента ECL — это выходной буфер. В элементах ECL обычно используется эмиттерный повторитель, а не вторая дифференциальная пара.
- Я просто кратко опишу схему приемника тока, показанную ниже. Два больших резистора образуют делитель напряжения, который создает опорное напряжение на полпути между двумя напряжениями питания (возможно, 0 вольт). Из-за поведения транзисторов VBE будет составлять одно падение на диоде (~ 0,7 В). Остальная часть схемы генерирует «правильный» ток через правый нижний резистор для достижения этого падения напряжения. На микросхеме два PNP-транзистора вверху представляют собой один транзистор с двумя коллекторами. Они реализуют токовое зеркало, в котором ток через правый транзистор совпадает с током через левый транзистор.
Схема приемника тока, используемая в микросхеме. Делитель используется всеми приемниками тока на чипе.
