Warum ist es wichtig, Vcc am Eingang eines Logikgatters nicht zu überschreiten?

Was passiert mit einem Logikgatter (außer magischer Rauchentladung), das eine Spannung größer als Vcc sieht? Liegt es nur daran, dass das Gate nicht für eine höhere Spannung als die empfohlene Vcc ausgelegt ist, oder ist es normalerweise auch wichtig, die Spannung auf die tatsächliche Vcc zu begrenzen, selbst wenn der Chip in einem Spannungsbereich arbeitet?

Es ist das eigentliche VCC, das zählt.

Logikgatter (und Mikroprozessoren) haben an jedem Eingangs- und Ausgangspin eine Diode zu VCC und eine Diode zu GND. (Mit Ausnahme einiger Chips mit einigen "hochspannungstoleranten" Open-Collector-Pins, wie pingswept erwähnt).

Wenn Sie einen Eingang extern ansteuern, der zu diesem Zeitpunkt höher als der tatsächliche VCC ist, fließt Strom durch diese Diode.

• Solange Sie den Strom durch diese Diode unter den im Datenblatt angegebenen Maximalstrom begrenzen, verursacht eine leichte Überspannung keinen dauerhaften Schaden. Selbst wenn dies auf sehr kleine Strommengen begrenzt ist, reicht dies aus, um analoge Schaltkreise auf dem Chip zu stören. Der digitalisierte Wert eines ADC, der einen analogen Eingangspin liest, kann völlig falsch sein, wenn er von einer Spannung etwas oberhalb von VCC gestört wird ein anderer Stift.

• scheinbar kleine Ströme durch diese Diode können den Bereich auf dem Chip um diesen Pin lokal überhitzen und die mit diesem Pin verbundene Funktionalität zerstören. Eine Person kann Tage damit verbringen, herauszufinden, warum ihre Software anscheinend größtenteils in Ordnung ist, mit Ausnahme von Dingen, die mit diesem einen Pin verbunden sind. (Ratet mal, woher ich das weiß?)

• Etwas größere Ströme durch diese Diode können den gesamten Chip überhitzen und zerstören.

Fast jeder IC, den Sie kaufen können, verfügt über eine Reihe von "versteckten Funktionen", von denen angenommen wird, dass sie vorhanden sind und daher im Datenblatt nicht behandelt werden.

Unter diesen befinden sich Körperdioden / ESD-Unterdrückungsdioden. Diese Typen verstecken sich im Allgemeinen an jedem E / A-Pin jedes Geräts, von einfachen Logikgattern über den Speicher bis hin zu High-End-Mikroprozessoren. Sie leiten jede Spannung, die größer als VDD (Versorgungsspannung) oder niedriger als VSS (gemeinsame Versorgung) ist, zur entsprechenden Schiene.

Wenn Sie eine Spannung anlegen, die einen dieser Grenzwerte überschreitet, werden die Body-Dioden in Vorwärtsrichtung vorgespannt und klemmen den Pegel am Pin effektiv auf VDD oder VSS. Das klingt nach einer guten Sache und ist es im Allgemeinen, aber es handelt sich um sehr kleine Geräte, die nicht viel Strom verbrauchen können. Diese Diode kann beschädigt werden (Kurzschluss oder Aufblasen). Im ersteren Fall kann es zu "festsitzenden" E / A-Pins kommen, und im letzteren Fall kann die nächste Überspannung den Eingang zerstören.

Open-Collector-Ausgänge sind praktisch, um einige Ausgänge steuern zu können, wie bereits erwähnt. Das Reihenschalten kleiner Widerstände mit Eingängen, die mit unangenehmen Spannungen in Kontakt kommen können, und / oder die Verwendung externer Dioden (selbst ein 1N914 ist im Vergleich zu den Schutzdioden am IC selbst RIESIG) ist ein guter Weg, um Geräte zu schützen.

Natürlich kann das richtige Entwerfen Ihrer Eingangs- oder Ausgangsschaltung für die Behandlung kontinuierlicher oder wiederholter transienter Ereignisse wie dieser eine Herausforderung für sich sein. Wenn Sie sich Sorgen machen, dass ein teures Teil durchgebrannt wird, puffern Sie den Eingang oder Ausgang im Allgemeinen mit (viel) billigeren und vorzugsweise gesockelten Puffer-ICs.

Zwei Probleme: Schutzdioden von einem Eingang zu GND und VCC ermöglichen große Ströme, wenn die Spannung am Eingang über VCC oder unter GND liegt. Schließlich können sich die Dioden stark erwärmen und niedrigohmig werden, dh sie wirken wie ein Kurzschluss vom Eingang zu VCC oder GND. Es kann auch zu einem Latch-up kommen. Dies bedeutet, dass ein parasitärer Thyristor, der im Eingangsstromkreis des IC verborgen ist, eingeschaltet bleibt und eingeschaltet bleibt, solange die externe Spannung anliegt und ein Strom in den Eingang fließt. Schließlich kann sich die Eingangsschaltung erwärmen und bleibende Schäden verursachen.

Im Datenblatt sind zwei Dinge zu beachten: Eingangsspannungen relativ zum tatsächlich an den Chip angelegten VCC (sie lesen so etwas wie V_in muss kleiner als VCC + 0,3 V und größer als GND-0,3 V sein) und absolute Spannungen am Eingang Pins (zB V_in muss kleiner als 6V sein). Das Überschreiten der Grenzwerte in Bezug auf VCC wird wahrscheinlich die internen Dioden durchbrennen lassen. Das Überschreiten der absoluten Grenzen wird wahrscheinlich das Gate der CMOS-Transistoren am Eingang sprengen.

Einige Logikgatter, die für Schnittstellen zwischen 3,3-V-Logik und 5-V-Logik ausgelegt sind, können 5 V am Eingang verarbeiten, wenn der IC selbst mit 3,3 V versorgt wird. Diese sind jedoch selten. Diesen ICs fehlen die Schutzdioden vom Eingang zum VCC (und normalerweise Z-Dioden vom Eingang zum GND und einige andere Tricks, um ESD-Schäden zu verhindern).