Почему важно не превышать Vcc на входе в логический вентиль?

Что происходит с логическими затворами (помимо магического выброса дыма), которые видят напряжение выше Vcc? Это просто потому, что затвор не был разработан для обработки более высокого напряжения, чем рекомендуемая Vcc, или же обычно также важно ограничивать напряжение фактическим Vcc, даже если микросхема работает в диапазоне напряжений?

Это фактический VCC, который имеет значение.

Логические вентили (и микропроцессоры) имеют диод для VCC и диод для GND на каждом входном и выходном контакте. (За исключением нескольких микросхем, которые имеют несколько «высоковольтных» выводов с открытым коллектором, как упоминалось в pingswept).

Если вы одновременно управляете входом, превышающим фактический VCC, через этот диод будет течь ток.

• Пока вы ограничиваете ток через этот диод ниже максимального тока, указанного в техническом описании, небольшое перенапряжение не приведет к постоянному повреждению. Однако, даже если он ограничен очень малым током, этого достаточно, чтобы нарушить работу аналоговых цепей на чипе - оцифрованное значение с АЦП, считывающего один вывод аналогового входа, может быть совершенно неверным, если оно расстроено из-за напряжения, немного превышающего VCC на какой-то другой штифт.

• кажущиеся малыми токи через этот диод могут локально перегреть область на микросхеме вокруг этого вывода, нарушая функциональность, связанную с этим выводом. Человек может потратить дни , пытаясь понять, почему его программное обеспечение , кажется , что это в основном работает нормально, для вещей , связанных с этим одним штифтом исключением. (Угадай, откуда я это знаю?)

• немного большие токи через этот диод могут перегреть и разрушить весь чип.

Почти каждая микросхема, которую вы можете купить, имеет ряд «скрытых функций», которые, как предполагается, присутствуют и поэтому не обсуждаются в таблице данных.

К ним относятся диоды для тела / диоды для подавления электростатических разрядов. Эти парни обычно прячутся на каждом выводе ввода / вывода на каждом устройстве, от базовых логических элементов через память до высокопроизводительных микропроцессоров. Они направляют любое напряжение, которое больше, чем VDD (напряжение питания) или ниже, чем VSS (общее питание), к соответствующей шине.

Если вы подаете напряжение, превышающее любой из этих пределов, диоды корпуса смещаются вперед и эффективно фиксируют уровень на выводе либо на VDD, либо на VSS. Это звучит как хорошая вещь, и обычно это так, но они очень маленькие устройства и не могут рассеивать много энергии. Вы можете повредить этот диод (закорачивая или открывая его). В первом случае это может привести к «залипанию» выводов ввода / вывода, а во втором случае следующее перенапряжение может разрушить вход.

Выходы с открытым коллектором удобны для возможности управления некоторыми выходами, как уже упоминалось в pingswept. Подключение небольших резисторов последовательно с входами, которые могут контактировать с неприятными напряжениями, и / или использование внешних диодов (даже 1N914 ОГРОМНО по сравнению с защитными диодами на самой ИС) - хороший способ защитить устройства.

Конечно, правильное проектирование входной или выходной схемы для обработки непрерывных или повторяющихся переходных событий, подобных этим, само по себе может быть сложной задачей. Вообще говоря, если вы беспокоитесь по поводу выдувания дорогостоящей детали, буферизируйте ввод или вывод с помощью (намного) более дешевых и предпочтительно сокетированных буферных ИС.

Две проблемы: защита диодов от входа на GND и VCC допускает большие токи, если напряжение на входе выше VCC или ниже GND. В конце концов, диоды могут сильно нагреваться и становиться низкоомными, то есть они будут действовать как короткое замыкание от входа к VCC или GND. Также может произойти фиксация. Это означает, что паразитный тиристор, спрятанный внутри входной цепи микросхемы, будет включаться и оставаться включенным, пока присутствует внешнее напряжение и вызывает ток, протекающий на вход. В конце концов, входная схема может нагреться и произойдет необратимое повреждение.

В техническом паспорте необходимо следить за двумя вещами: входные напряжения относительно фактического VCC, приложенного к микросхеме (они читают что-то вроде V_in, должны быть меньше VCC + 0,3 В и больше, чем GND-0,3 В) и абсолютные напряжения на входе контакты (например, V_in должно быть меньше 6 В). Превышение пределов относительно VCC, вероятно, приведет к перегоранию внутренних диодов. Превышение абсолютных пределов, скорее всего, вызовет затвор КМОП-транзисторов на входе.

Некоторые логические элементы, разработанные для интерфейсов между логикой 3,3 В и логикой 5 В, могут обрабатывать 5 В на входе, когда на саму микросхему подается напряжение 3,3 В, но это редко. Этим микросхемам не хватает защитных диодов от входа на VCC (и обычно имеют z-диоды от входа на GND и некоторые другие приемы для предотвращения повреждения от электростатического разряда).