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拆解苹果的第一台电脑Apple-1分析时钟驱动芯片的内部构造_晶体管_芯片

落叶飘零 2025-01-22 21:32:06 0

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这台早期的微型打算机利用了一种不屈常的存储办法来进行显示:移位寄存器存储器。
它不是将数据存储在 RAM(随机存取存储器)中,而是存储在 1024 位移位寄存器中。

将一个位放入移位寄存器,1024 个时钟周期后,该位从另一端弹出。
由于移位寄存器存储器不须要寻址电路,它比随机存取存储器芯片制造起来本钱更低。
当然,缺陷是你必须在可用时利用位,而不是访问任意内存位置。
不过,移位寄存器存储器的行为非常适宜视频电路,由于字符以固定的重复顺序(从左到右和从上到下)显示在屏幕上。

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Apple-1 是作为裸板出售的,因此用户须要为其制作一个外壳,或者将其安装在一个公函包中,如图所示。

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(图片来自网络侵删)

移位寄存器存储器芯片须要具有高电流和非常电压的时钟脉冲:从 +5 伏到 -11 伏。

这些脉冲由分外芯片 DS0025 两相 MOS 时钟驱动器供应。

该芯片于 1969 年推出,是第一款单片(即集成电路)时钟驱动器。
在这篇文章,会展现芯片的内部并阐明了它是如何实现的。

DS0025 时钟驱动器的芯片

上图显示了显微镜下的硅芯片。
这个芯片非常大略,包含四个大NPN晶体管、四个二极管和四个电阻。

在这张图片中,硅呈现蓝灰色,而顶部的金属层呈现白色斑点。
管芯外部周围是六个玄色矩形,金色键合线将管芯连接到芯片外部引脚的焊盘,管芯被封装在环氧树脂封装中。

为了暴露裸片,用砂纸对塑料封装进行了繁琐的打磨,直到裸片可见。
但一些环氧树脂残留在焊线中,以是用几滴沸腾的硫酸清理了芯片。

Apple-1 的显示屏

Apple-1 在电视监视器上显示 24 行,共 40 个字符。
与当时的大多数打算机一样,Apple-1 存储字符而不是像素以减少内存需求。

字符天生 ROM在显示时将每个字符转换为 5×7 像素矩阵。
为了进一步减少内存,显示器没有存储完全的字节,而是 6 位字符,支持大写字母、数字和一些符号。

六位显示字符保存在六个 1024 位移位寄存器中。
第七个移位寄存器跟踪光标位置。
下图显示了 Apple-1 电路板上的移位寄存器和时钟驱动器。

这些芯片采取 8 针封装,因此两个芯片可以放入普通 TTL 芯片的空间。

Apple-1 电路板,展示了 1024 位移位寄存器芯片和时钟驱动芯片

晶体管

接下来,谈论芯片的组件。

由于该芯片产生大电流脉冲,它利用大型 NPN 晶体管,其构造与大多数集成电路晶体管不同。
每个晶体管由 24 个发射极组成,并联成两组。
(你可以认为它是一个大晶体管、2 个晶体管或 24 个小晶体管。

晶体管是垂直构造的,其下方是集电极(由 N 掺杂硅制成),中间是薄的 P 型基极,N 型发射器嵌入顶部,形成晶体管的 NPN 层,掺杂的硅区域在其边界周围以黑线隐约可见。

半个晶体管,有 12 个发射极

在上图中,你可以看到晶体管的集电极、基极和发射极的金属布线。
集电极接线在表面,基极接线在中间。

集电极和发射极接线呈锥形:一端接线须要支持全电流负载,而另一端仅处理 1/12 的电流。
锥形方法节省了空间,由于它只在须要变厚的地方变厚。

电阻

电阻由硅掺杂形成以具有更高的电阻,掺杂硅矩形在裸片照片中隐约可见。

在电阻的每一端,一个触点将硅连接到顶部的金属层,左边的 1000Ω 电阻比右边的 250Ω 电阻长,电阻更大。

涌如今裸片上的两个电阻

过孔

该芯片具有单层金属布线,如果两个旗子暗记须要交叉,就会涌现问题。

办理方案是在硅层中放置一个旗子暗记,以便它可以通过金属层下方。
实质上,低阻值电阻器用于在金属层下方通过。
如下图所示。

顶部的导电硅条连接两侧的金属区域。
底部的导电条不知足布线需求,但确保两条路径碰着相同的电阻。

有一个问题是,与金属比较硅具有相对较高的电阻,因此布线会增加电阻。
该芯片经由精心设计,因此两个“子晶体管”碰着相同的电阻,以避免一个晶体管先于另一个打开。

芯片的电路

移位寄存器须要一个两相时钟,即交替通过电路的两个时钟旗子暗记。
为了支持这一点,时钟驱动芯片有两个相同的驱动电路。
下面的示意图显示了个中一个电路。

当输入变高时,它打开晶体管 Q1,将其集电极拉低。
这通过二极管 D2 将输出拉低。
当输入低落时,Q1 关闭。
R2 为 Q2 的基极供应电流,将其打开,并将输出拉高。
因此,该电路实质上是一个逆变器,但可以供应高达 1.5 安培的输出。

DS0025 的事理图

下图显示了事理图的各个组件,它们涌如今裸片上。
大部分芯片被大功率晶体管霸占。
虽然芯片采取 8 引脚封装,但只利用了 6 个引脚;相应的焊盘如下所示。

该芯片由两个相同的镜像驱动器组成,一个被标记。
晶体管中有一些变黑的区域,疑惑这是芯片失落败的地方。

模具带有标记的组件,二极管在事理图中标记为 CR(晶体整流器),但在此处标记为 D。

结论

该芯片为 1970 年代的打算机技能供应了一个有趣的视角。
Apple-1 利用移位寄存器内存,随着 RAM 价格的低落,这项技能很快就过期了。

移位寄存器存储器须要专门的时钟驱动集成电路,该芯片仅包含四个大晶体管。
当代集成电路中有数十亿个晶体管,很难想象曾经能构建如此大略的芯片。
一年后的1977 年推出的 Apple II 利用 RAM 芯片进行所有存储,使移位寄存器内存成为过去。

以上便是本日的分享,大家记得给我点赞。

图片来源于小红书

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