Perché è importante non superare Vcc all'ingresso di una porta logica?

Cosa succede a una porta logica (oltre alla scarica di fumo magico) che vede una tensione maggiore di Vcc? È solo perché il gate non è stato progettato per gestire una tensione superiore a quella del Vcc consigliato, oppure è di solito importante limitare la tensione al Vcc effettivo anche se il chip funziona in un intervallo di tensioni?

È il VCC reale che conta.

Le porte logiche (e i microprocessori) hanno un diodo su VCC e un diodo su GND ad ogni pin di ingresso e uscita. (Ad eccezione di alcuni chip che hanno alcuni pin a collettore aperto "tolleranti ad alta tensione", come menzionato in precedenza).

Se in quel momento si guida esternamente un ingresso superiore al VCC effettivo, la corrente scorrerà attraverso quel diodo.

• Finché si limita la corrente attraverso quel diodo al di sotto della corrente massima elencata nel foglio dati, una leggera sovratensione non farà alcun danno permanente. Tuttavia, anche se limitato a quantità molto ridotte di corrente, questo è sufficiente per interrompere i circuiti analogici sul chip: il valore digitalizzato da un ADC che legge un pin di ingresso analogico può essere totalmente sbagliato quando viene sconvolto da una tensione leggermente superiore a VCC su qualche altro spillo.

• correnti apparentemente piccole attraverso quel diodo possono surriscaldare localmente la regione sul chip attorno a quel pin, distruggendo la funzionalità associata a quel pin. Una persona può passare giorni cercando di capire perché il suo software sembra funzionare per lo più a posto, tranne per le cose collegate a quel singolo pin. (Indovina come lo so?)

• correnti leggermente più grandi attraverso quel diodo possono surriscaldarsi e distruggere l'intero chip.

Quasi ogni circuito integrato che è possibile acquistare ha un numero di "funzioni nascoste" che si presume siano presenti e quindi non discusse nel foglio dati.

Tra questi ci sono diodi corporei / diodi di soppressione ESD. Questi ragazzi generalmente si nascondono su ogni pin I / O su ogni dispositivo, dalle porte logiche di base attraverso la memoria ai microprocessori di fascia alta. Indirizzano qualsiasi tensione maggiore di VDD (tensione di alimentazione) o inferiore a VSS (alimentazione comune) alla guida appropriata.

Se si applica una tensione superiore a uno di questi limiti, i diodi corporei diventano polarizzati in avanti e bloccano efficacemente il livello sul pin su VDD o VSS. Sembra una buona cosa e generalmente lo è, ma sono dispositivi molto piccoli e non possono dissipare molta potenza. Puoi finire per danneggiare questo diodo (cortocircuitandolo o aprendolo). Nel primo caso può portare a pin I / O "bloccati" e nel secondo caso, la successiva sovratensione può distruggere l'ingresso.

Le uscite open-collector sono utili per poter controllare alcune uscite, come già detto dal ping. Mettere piccole resistenze in serie con ingressi che possono venire a contatto con tensioni sfavorevoli e / o usare diodi esterni (anche un 1N914 è ENORME rispetto ai diodi di protezione sull'IC stesso) è un buon modo per aiutare a proteggere i dispositivi.

Naturalmente, progettare correttamente i circuiti di input o output per gestire eventi transitori continui o ripetuti come questi può essere una sfida di progettazione in sé e per sé. In generale, se si è preoccupati di far esplodere una parte costosa, bufferizzare l'ingresso o l'uscita con (molto) più economici e preferibilmente socket IC buffer.

Due problemi: i diodi di protezione da un ingresso a GND e VCC consentiranno correnti elevate se la tensione all'ingresso è superiore a VCC o inferiore a GND. Alla fine, i diodi potrebbero surriscaldarsi molto e diventare a bassa ohmic, cioè agiranno come un cortocircuito dall'ingresso a VCC o GND. Inoltre, potrebbe verificarsi un latch-up. Ciò significa che un tiristore parassita nascosto all'interno del circuito di ingresso dell'IC si accenderà e rimarrà acceso fintanto che è presente la tensione esterna e fa fluire una corrente nell'ingresso. Alla fine, i circuiti di ingresso potrebbero surriscaldarsi e potrebbero verificarsi danni permanenti.

Ci sono due cose da guardare nella scheda tecnica: tensioni di ingresso relative al VCC effettivo applicato al chip (leggono qualcosa come V_in deve essere inferiore a VCC + 0,3 V e maggiore di GND-0,3 V) e tensioni assolute all'ingresso pin (ad es. V_in deve essere inferiore a 6 V). Il superamento dei limiti relativi al VCC farà esplodere i diodi interni. Il superamento dei limiti assoluti farà esplodere l'ingresso del transistor CMOS.

Alcune porte logiche progettate per le interfacce tra la logica 3,3 V e la logica 5 V possono gestire 5 V all'ingresso quando l'IC stesso viene fornito con 3,3 V, ma questi sono rari. Questi IC mancano dei diodi di protezione dall'ingresso al VCC (e di solito hanno diodi z dall'ingresso al GND e alcuni altri trucchi per prevenire danni ESD).