为什么在逻辑门的输入端不超过 Vcc 很重要?

电器工程 电压
2022-01-18 20:01:58

看到电压大于 Vcc 的逻辑门(除了魔法烟雾放电)会发生什么?仅仅是因为栅极的设计不是为了处理比推荐的 Vcc 更高的电压,还是即使芯片在一定电压范围内工作,将电压限制在实际 Vcc 也很重要?

3个回答

您可以购买的几乎每个 IC 都具有许多假定存在的“隐藏功能”,因此在数据表中未进行讨论。

其中包括体二极管/ESD抑制二极管。这些家伙通常隐藏在每个设备的每个 I/O 引脚上,从基本逻辑门到内存再到高端微处理器。它们将任何高于 VDD(电源电压)或低于 VSS(电源公共端)的电压路由到适当的电源轨。

如果施加的电压超过这些限制中的任何一个,体二极管就会变为正向偏置,并有效地将引脚上的电平钳位到 VDD 或 VSS。这听起来像是一件好事,而且通常是好事,但它们是非常小的设备,不能消耗太多功率。您最终可能会损坏该二极管(将其短路或将其炸开)。在前一种情况下,它可能会导致“卡住”I/O 引脚,而在后一种情况下,下一次过压会破坏输入。

正如 pingswept 已经提到的,集电极开路输出可以方便地控制一些输出。将小电阻器与可能与恶劣电压接触的输入串联,和/或使用外部二极管(与 IC 本身的保护二极管相比,即使 1N914 也是巨大的)是帮助保护设备的好方法。

当然,正确设计输入或输出电路以处理此类连续或重复的瞬态事件本身就是一项设计挑战。一般来说,如果您担心烧毁昂贵的零件,请使用(更)便宜且最好是插座式缓冲 IC 来缓冲输入或输出。

重要的是实际的 VCC。

逻辑门(和微处理器)在每个输入和输出引脚都有一个连接到 VCC 的二极管和一个连接到 GND 的二极管。(除了一些具有一些“耐高压”集电极开路引脚的芯片,如 pingswept 所述)。

如果您在外部驱动一个高于当时实际 VCC 的输入,则电流将流过该二极管。

  • 只要您将通过该二极管的电流限制在数据表中列出的最大电流以下,轻微的过压就不会造成任何永久性损坏。然而,即使限制在非常小的电流,这也足以破坏芯片上的模拟电路——当 ADC 的电压略高于 VCC 时,读取一个模拟输入引脚的数字化值可能是完全错误的。其他一些别针。

  • 通过该二极管的看似很小的电流可能会使该引脚周围的芯片区域局部过热,从而破坏与该引脚相关的功能。一个人可能会花费数天时间试图弄清楚为什么他的软件看起来大部分都可以正常工作,除了连接到那个引脚的东西。(猜猜我是怎么知道的?)

  • 通过该二极管的稍大电流会过热并损坏整个芯片。

两个问题:如果输入电压高于 VCC 或低于 GND,从输入到 GND 和 VCC 的保护二极管将允许大电流。最终,二极管可能会发热很多并变成低电阻,即它们会像从输入到 VCC 或 GND 的短路一样。此外,可能会发生闩锁。这意味着只要存在外部电压并导致电流流入输入,隐藏在 IC 输入电路内部的寄生晶闸管就会开启并保持开启状态。最终,输入电路可能会变热并发生永久性损坏。

数据表中有两点需要注意:相对于施加到芯片上的实际 VCC 的输入电压(它们读取的内容类似于 V_in 必须小于 VCC+0.3V 并且大于 GND-0.3V)和输入端的绝对电压引脚(例如 V_in 必须小于 6V)。超过相对于 VCC 的限制可能会烧毁内部二极管。超过绝对限制可能会烧毁输入端的 CMOS 晶体管的栅极。

一些为 3.3V 逻辑和 5V 逻辑之间的接口设计的逻辑门可以在 IC 本身提供 3.3V 电压时在输入端处理 5V,但这种情况很少见。这些 IC 缺少从输入到 VCC 的保护二极管(并且通常具有从输入到 GND 的 z 二极管和其他一些防止 ESD 损坏的技巧)。