Dlaczego ważne jest, aby nie przekraczać Vcc na wejściu do bramki logicznej?

Co dzieje się z bramką logiczną (oprócz magicznego wydzielania dymu) widzącą napięcie większe niż Vcc? Czy to tylko dlatego, że bramka nie została zaprojektowana do obsługi wyższego napięcia niż zalecane Vcc, czy też zwykle ważne jest również ograniczenie napięcia do rzeczywistego Vcc, nawet jeśli układ działa w zakresie napięć?

Liczy się rzeczywisty VCC.

Bramki logiczne (i mikroprocesory) mają diodę do VCC i diodę do GND na każdym styku wejściowym i wyjściowym. (Z wyjątkiem kilku układów, które mają kilka styków z otwartym kolektorem „tolerujących wysokie napięcie”, jak wspomniano o pingach).

Jeśli zewnętrznie sterujesz wejściem wyższym niż rzeczywisty VCC w tym czasie, prąd przepłynie przez tę diodę.

• Tak długo, jak ograniczysz prąd przez tę diodę poniżej maksymalnego prądu wymienionego w karcie danych, niewielkie przepięcie nie spowoduje trwałego uszkodzenia. Jednak nawet przy ograniczeniu do bardzo małych ilości prądu wystarcza to do przerwania obwodów analogowych na chipie - cyfrowa wartość z przetwornika ADC odczytującego jeden analogowy pin wejściowy może być całkowicie błędna, gdy zostanie zmieniona na napięcie nieco powyżej VCC na jakaś inna szpilka.

• pozornie małe prądy płynące przez tę diodę mogą miejscowo przegrzać obszar na chipie wokół tego pinu, niszcząc funkcjonalność związaną z tym pinem. Osoba może spędzać dni próbując dowiedzieć się, dlaczego jego oprogramowanie wydaje się działać w większości OK, z wyjątkiem rzeczy podłączonych do tego jednego pinu. (Zgadnij, skąd to wiem?)

• nieco większe prądy przez tę diodę mogą się przegrzać i zniszczyć cały układ.

Prawie każdy układ scalony, który można kupić, ma wiele „ukrytych funkcji”, które zakłada się, że są obecne, a zatem nie zostały omówione w arkuszu danych.

Wśród nich są diody ciała / diody tłumiące ESD. Ci faceci zazwyczaj chowają się na każdym pinie we / wy na każdym urządzeniu, od podstawowych bramek logicznych, poprzez pamięć, po wysokiej klasy mikroprocesory. Kierują wszelkie napięcia większe niż VDD (napięcie zasilania) lub niższe niż VSS (wspólne zasilanie) do odpowiedniej szyny.

Jeśli przyłożysz napięcie przekraczające którąkolwiek z tych granic, diody korpusu staną się skierowane do przodu i skutecznie zaciśną poziom na pinie do VDD lub VSS. To brzmi jak dobra rzecz i ogólnie jest, ale są to bardzo małe urządzenia i nie mogą rozproszyć dużej mocy. Możesz w końcu uszkodzić tę diodę (zwarcie lub wysadzenie). W pierwszym przypadku może to prowadzić do zablokowania styków we / wy, aw drugim przypadku kolejne przepięcie może zniszczyć wejście.

Wyjścia typu otwarty kolektor są przydatne do kontrolowania niektórych wyjść, jak już wspomniano wcześniej. Umieszczenie małych rezystorów szeregowo z wejściami, które mogą mieć kontakt z nieprzyjemnymi napięciami i / lub użycie diod zewnętrznych (nawet 1N914 jest OGROMNY w porównaniu do diod ochronnych na samym układzie scalonym) jest dobrym sposobem na ochronę urządzeń.

Oczywiście odpowiednie zaprojektowanie obwodu wejściowego lub wyjściowego do obsługi ciągłych lub powtarzających się zdarzeń przejściowych, takich jak te, może samo w sobie stanowić wyzwanie projektowe. Ogólnie rzecz biorąc, jeśli martwisz się wysadzeniem drogiej części, buforuj wejście lub wyjście za pomocą (znacznie) tańszych i najlepiej buforowanych układów scalonych.

Dwa problemy: Diody ochronne od wejścia do GND i VCC pozwolą na duże prądy, jeśli napięcie na wejściu będzie wyższe niż VCC lub poniżej GND. W końcu diody mogą się mocno nagrzewać i stać się nisko omowe, tzn. Będą działać jak zwarcie z wejścia do VCC lub GND. Może również wystąpić zatrzaśnięcie. Oznacza to, że pasożytniczy tyrystor ukryty w obwodzie wejściowym układu scalonego zostanie włączony i pozostanie włączony, dopóki obecne będzie napięcie zewnętrzne i spowoduje przepływ prądu do wejścia. W końcu obwód wejściowy może się nagrzewać i nastąpi trwałe uszkodzenie.

W arkuszu danych należy obserwować dwie rzeczy: napięcia wejściowe w stosunku do rzeczywistego VCC zastosowanego do układu (odczytują coś w rodzaju V_in musi być mniejsze niż VCC + 0,3 V i większe niż GND-0,3 V) i napięcia bezwzględne na wejściu piny (np. V_in musi być mniejsze niż 6 V). Przekroczenie limitów względem VCC prawdopodobnie spowoduje uszkodzenie wewnętrznych diod. Przekroczenie granic absolutnych prawdopodobnie wysadzi bramę tranzystorów CMOS na wejściu.

Niektóre bramki logiczne zaprojektowane dla interfejsów między logiką 3,3 V a logiką 5 V mogą obsługiwać 5 V na wejściu, gdy sam układ scalony jest zasilany 3,3 V, ale są one rzadkie. Te układy scalone nie mają diod ochronnych z wejścia do VCC (i zwykle mają diody Z z wejścia do GND i kilka innych sztuczek, aby zapobiec uszkodzeniu ESD).