¿Por qué es importante no exceder Vcc en la entrada a una puerta lógica?

¿Qué le sucede a una puerta lógica (además de la descarga de humo mágico) que ve un voltaje mayor que Vcc? ¿Es solo porque la puerta no fue diseñada para manejar un voltaje más alto que el Vcc recomendado, o también es importante limitar el voltaje al Vcc real incluso si el chip funciona dentro de un rango de voltajes?

Es el VCC real lo que importa.

Las puertas lógicas (y los microprocesadores) tienen un diodo a VCC y un diodo a GND en cada pin de entrada y salida. (Excepto por algunos chips que tienen algunos pines de colector abierto "tolerantes a alto voltaje", como se mencionó anteriormente).

Si conduce externamente una entrada más alta que el VCC real en ese momento, la corriente fluirá a través de ese diodo.

• Siempre que limite la corriente a través de ese diodo por debajo de la corriente máxima indicada en la hoja de datos, un ligero sobrevoltaje no causará ningún daño permanente. Sin embargo, incluso cuando se limita a cantidades muy pequeñas de corriente, esto es suficiente para interrumpir los circuitos analógicos en el chip: el valor digitalizado de un ADC que lee un pin de entrada analógica puede ser totalmente incorrecto cuando se altera con un voltaje ligeramente superior a VCC en algún otro pin

• Las corrientes aparentemente pequeñas a través de ese diodo pueden sobrecalentar localmente la región en el chip alrededor de ese pin, destruyendo la funcionalidad asociada con ese pin. Una persona puede pasar días tratando de descubrir por qué su software parece funcionar principalmente, excepto por cosas conectadas a ese pin. (Adivina cómo sé esto?)

• corrientes ligeramente más grandes a través de ese diodo pueden sobrecalentarse y destruir todo el chip.

Casi todos los circuitos integrados que puede comprar tienen una serie de "características ocultas" que se supone que están presentes y, por lo tanto, no se tratan en la hoja de datos.

Entre estos se encuentran los diodos de cuerpo / diodos de supresión de ESD. Estos tipos generalmente se esconden en cada pin de E / S en cada dispositivo, desde puertas lógicas básicas a través de la memoria hasta microprocesadores de alta gama. Dirigen cualquier voltaje que sea mayor que VDD (voltaje de suministro) o menor que VSS (suministro común) al riel apropiado.

Si aplica un voltaje que excede cualquiera de estos límites, los diodos del cuerpo se polarizan hacia adelante y sujetan efectivamente el nivel en el pin a VDD o VSS. Suena como algo bueno y generalmente lo es, pero son dispositivos muy pequeños y no pueden disipar mucha energía. Puede terminar dañando este diodo (cortocircuito o abrirlo). En el primer caso, puede conducir a pines de E / S "atascados", y en el último caso, la próxima sobretensión puede destruir la entrada.

Las salidas de colector abierto son útiles para poder controlar algunas salidas, como ya se mencionó anteriormente. Poner resistencias pequeñas en serie con entradas que puedan entrar en contacto con voltajes desagradables, y / o usar diodos externos (incluso un 1N914 es ENORME en comparación con los diodos de protección en el propio CI) es una buena manera de ayudar a proteger los dispositivos.

Por supuesto, diseñar adecuadamente sus circuitos de entrada o salida para manejar eventos transitorios continuos o repetidos como estos puede ser un desafío de diseño en sí mismo. En términos generales, si le preocupa explotar una parte costosa, coloque en el búfer la entrada o la salida con circuitos integrados de búfer (mucho) más baratos y preferiblemente engarzados.

Dos problemas: los diodos de protección de una entrada a GND y VCC permitirán grandes corrientes si el voltaje en la entrada está por encima de VCC o por debajo de GND. Eventualmente, los diodos pueden calentarse mucho y volverse de baja resistencia, es decir, actuarán como un corto desde la entrada a VCC o GND. Además, puede producirse un enganche. Esto significa que un tiristor parásito escondido dentro del circuito de entrada del CI se encenderá y permanecerá encendido mientras el voltaje externo esté presente y haga que una corriente fluya hacia la entrada. Eventualmente, el circuito de entrada podría calentarse y ocurrirá un daño permanente.

Hay dos cosas que ver en la hoja de datos: voltajes de entrada relativos al VCC real aplicado al chip (leen algo como V_in debe ser menor que VCC + 0.3V y mayor que GND-0.3V) y voltajes absolutos en la entrada clavijas (p. ej., V_in debe ser inferior a 6V). Superar los límites relativos a VCC probablemente explotará los diodos internos. Superar los límites absolutos probablemente hará volar la puerta de los transistores CMOS en la entrada.

Algunas compuertas lógicas diseñadas para interfaces entre la lógica de 3.3V y la lógica de 5V pueden manejar 5V en la entrada cuando el propio CI se suministra con 3.3V, pero esto es raro. Estos circuitos integrados carecen de diodos de protección desde la entrada a VCC (y generalmente tienen diodos z desde la entrada a GND y algunos otros trucos para evitar daños por ESD).