Pourquoi est-il important de ne pas dépasser Vcc à l'entrée d'une porte logique?

Qu'arrive-t-il à une porte logique (outre la décharge de fumée magique) qui voit une tension supérieure à Vcc? Est-ce simplement parce que la grille n'a pas été conçue pour gérer une tension plus élevée que le Vcc recommandé, ou est-il également généralement important de limiter la tension au Vcc réel même si la puce fonctionne dans une plage de tensions?

C'est le VCC réel qui compte.

Les portes logiques (et les microprocesseurs) ont une diode vers VCC et une diode vers GND à chaque broche d'entrée et de sortie. (À l'exception de quelques puces qui ont quelques broches à collecteur ouvert "tolérantes aux hautes tensions", comme indiqué par pingswept).

Si vous pilotez en externe une entrée supérieure au VCC réel à ce moment-là, le courant passera par cette diode.

• Tant que vous limitez le courant à travers cette diode en dessous du courant maximum répertorié dans la fiche technique, une légère surtension ne causera aucun dommage permanent. Cependant, même lorsqu'elle est limitée à de très petites quantités de courant, cela suffit pour perturber les circuits analogiques sur la puce - la valeur numérisée d'un ADC lisant une broche d'entrée analogique peut être totalement fausse lorsqu'elle est perturbée par une tension légèrement supérieure à VCC sur une autre broche.

• des courants apparemment faibles à travers cette diode peuvent localement surchauffer la région sur la puce autour de cette broche, détruisant la fonctionnalité associée à cette broche. Une personne peut passer des jours à essayer de comprendre pourquoi son logiciel semble fonctionner correctement, à l'exception des éléments connectés à cette broche. (Devinez comment je le sais?)

• des courants légèrement plus importants à travers cette diode peuvent surchauffer et détruire la puce entière.

Presque tous les circuits intégrés que vous pouvez acheter ont un certain nombre de "fonctionnalités cachées" qui sont supposées être présentes et donc non discutées dans la fiche technique.

Parmi celles-ci, il y a les diodes corporelles / les diodes de suppression ESD. Ces gars se cachent généralement sur chaque broche d'E / S sur chaque périphérique, des portes logiques de base en passant par la mémoire aux microprocesseurs haut de gamme. Ils acheminent toute tension supérieure à VDD (tension d'alimentation) ou inférieure à VSS (alimentation commune) vers le rail approprié.

Si vous appliquez une tension supérieure à l'une ou l'autre de ces limites, les diodes du corps deviennent polarisées en direct et fixent efficacement le niveau de la broche au VDD ou au VSS. Cela semble être une bonne chose et l'est généralement, mais ce sont de très petits appareils et ne peuvent pas dissiper beaucoup d'énergie. Vous pouvez finir par endommager cette diode (la court-circuiter ou la faire sauter). Dans le premier cas, cela peut conduire à des broches d'E / S "bloquées", et dans le second cas, la surtension suivante peut détruire l'entrée.

Les sorties à collecteur ouvert sont pratiques pour pouvoir contrôler certaines sorties, comme nous l'avons déjà mentionné. Mettre de petites résistances en série avec des entrées qui peuvent entrer en contact avec des tensions désagréables et / ou utiliser des diodes externes (même un 1N914 est ÉNORME par rapport aux diodes de protection sur le CI lui-même) est un bon moyen d'aider à protéger les appareils.

Bien sûr, concevoir correctement vos circuits d'entrée ou de sortie pour gérer des événements transitoires continus ou répétés comme ceux-ci peut être un défi de conception en soi. D'une manière générale, si vous craignez de souffler une pièce coûteuse, mettez en mémoire tampon l'entrée ou la sortie avec des circuits intégrés de tampon (beaucoup) moins chers et de préférence à emboîtement.

Deux problèmes: les diodes de protection d'une entrée vers GND et VCC permettront des courants importants si la tension à l'entrée est supérieure à VCC ou inférieure à GND. Finalement, les diodes peuvent chauffer beaucoup et devenir faiblement ohmiques, c'est-à-dire qu'elles agiront comme un court-circuit de l'entrée vers VCC ou GND. En outre, un verrouillage peut se produire. Cela signifie qu'un thyristor parasite caché à l'intérieur du circuit d'entrée du CI s'allumera et restera allumé aussi longtemps que la tension externe est présente et provoque un courant à circuler dans l'entrée. Finalement, les circuits d'entrée peuvent chauffer et des dommages permanents se produiront.

Il y a deux choses à surveiller dans la fiche technique: les tensions d'entrée par rapport au VCC réel appliqué à la puce (ils lisent quelque chose comme V_in doit être inférieur à VCC + 0,3 V et supérieur à GND-0,3 V) et les tensions absolues à l'entrée broches (par exemple, V_in doit être inférieure à 6 V). Le dépassement des limites par rapport à VCC fera probablement sauter les diodes internes. Le dépassement des limites absolues fera probablement sauter la grille des transistors CMOS à l'entrée.

Certaines portes logiques conçues pour les interfaces entre la logique 3,3 V et la logique 5 V peuvent gérer 5 V à l'entrée lorsque le CI lui-même est alimenté en 3,3 V, mais celles-ci sont rares. Ces circuits intégrés n'ont pas les diodes de protection de l'entrée vers VCC (et ont généralement des diodes z de l'entrée vers GND et quelques autres astuces pour éviter les dommages ESD).