Mengapa penting untuk tidak melebihi Vcc pada input ke gerbang logika?

Apa yang terjadi pada gerbang logika (selain debit asap ajaib) melihat tegangan lebih besar dari Vcc? Apakah hanya karena gerbang tidak dirancang untuk menangani tegangan yang lebih tinggi dari Vcc yang direkomendasikan, atau apakah biasanya penting untuk membatasi tegangan ke Vcc yang sebenarnya bahkan jika chip bekerja dalam kisaran voltase?

VCC sebenarnya yang penting.

Gerbang logika (dan mikroprosesor) memiliki dioda ke VCC dan dioda ke GND di setiap pin input dan output. (Kecuali untuk beberapa chip yang memiliki beberapa pin kolektor terbuka "toleran tegangan tinggi", seperti disebutkan pingswept).

Jika Anda secara eksternal mengarahkan input yang lebih tinggi dari VCC yang sebenarnya pada saat itu, arus akan mengalir melalui dioda itu.

• Selama Anda membatasi arus melalui dioda di bawah arus maksimum yang tercantum dalam datasheet, sedikit kelebihan tegangan tidak akan melakukan kerusakan permanen. Namun, bahkan ketika terbatas pada jumlah arus yang sangat kecil, ini cukup untuk mengganggu sirkuit analog pada chip - nilai digital dari ADC membaca satu pin input analog dapat benar-benar salah ketika terganggu dari tegangan yang sedikit di atas VCC pada beberapa pin lainnya.

• arus yang kelihatannya kecil melalui dioda itu dapat secara lokal memanaskan wilayah pada chip di sekitar pin itu, menghancurkan fungsionalitas yang terkait dengan pin itu. Seseorang dapat menghabiskan waktu berhari-hari untuk mencari tahu mengapa peranti lunaknya sepertinya berfungsi dengan baik, kecuali untuk hal-hal yang terhubung dengan satu pin itu. (Coba tebak bagaimana saya tahu ini?)

• arus yang sedikit lebih besar melalui dioda itu dapat menjadi terlalu panas dan menghancurkan seluruh chip.

Hampir setiap IC yang dapat Anda beli memiliki sejumlah "fitur tersembunyi" yang dianggap ada dan karenanya tidak dibahas dalam lembar data.

Di antaranya adalah dioda tubuh / dioda penindasan ESD. Orang-orang ini biasanya bersembunyi di setiap pin I / O pada setiap perangkat, dari gerbang logika dasar hingga memori ke mikroprosesor kelas atas. Mereka merutekan tegangan yang lebih besar dari VDD (tegangan suplai) atau lebih rendah dari VSS (suplai umum) ke rel yang sesuai.

Jika Anda menerapkan tegangan melebihi salah satu dari batas-batas ini, dioda tubuh menjadi bias maju dan secara efektif menjepit level di pin ke VDD atau VSS. Ini kedengarannya seperti hal yang baik dan umumnya, tetapi mereka adalah perangkat yang sangat kecil dan tidak dapat menghilangkan banyak daya. Anda akhirnya dapat merusak dioda ini (korslet atau meniupnya terbuka). Dalam kasus sebelumnya dapat menyebabkan pin I / O macet, dan dalam kasus terakhir, tegangan lebih berikutnya dapat menghancurkan input.

Keluaran kolektor terbuka berguna untuk dapat mengontrol beberapa keluaran, seperti yang sudah disebutkan oleh pingswept. Menempatkan resistor kecil secara seri dengan input yang dapat bersentuhan dengan voltase buruk, dan / atau menggunakan dioda eksternal (bahkan 1N914 adalah BESAR dibandingkan dengan dioda proteksi pada IC itu sendiri) adalah cara yang baik untuk membantu melindungi perangkat.

Tentu saja, mendesain sirkuit input atau output dengan benar untuk menangani peristiwa transien yang terus menerus atau berulang seperti ini dapat menjadi tantangan desain. Secara umum, jika Anda khawatir akan meledakkan bagian yang mahal, buffer input atau output dengan IC buffer buffer (jauh) lebih murah dan lebih disukai.

Dua masalah: Perlindungan dioda dari input ke GND dan VCC akan memungkinkan arus besar jika tegangan pada input di atas VCC atau di bawah GND. Akhirnya, dioda mungkin memanaskan banyak dan menjadi rendah-ohmik, yaitu mereka akan bertindak seperti kependekan dari input ke VCC atau GND. Juga, latch-up dapat terjadi. Ini berarti bahwa thyristor parasit yang tersembunyi di dalam rangkaian input IC akan menyala dan tetap menyala selama tegangan eksternal ada dan menyebabkan arus mengalir ke input. Akhirnya, sirkuit input mungkin memanas dan kerusakan permanen akan terjadi.

Ada dua hal yang harus diperhatikan dalam lembar data: tegangan input relatif terhadap VCC aktual yang diterapkan pada chip (mereka membaca sesuatu seperti V_in harus lebih kecil dari VCC + 0.3V dan lebih besar daripada GND-0.3V) dan tegangan absolut pada input pin (mis. V_in harus kurang dari 6V). Melebihi batas relatif terhadap VCC kemungkinan akan meledakkan dioda internal. Melebihi batas absolut kemungkinan akan meniup gerbang transistor CMOS pada input.

Beberapa gerbang logika yang dirancang untuk antarmuka antara logika 3.3V dan logika 5V dapat menangani 5V pada input ketika IC itu sendiri dilengkapi dengan 3.3V, tetapi ini jarang terjadi. IC ini tidak memiliki dioda perlindungan dari input ke VCC (dan biasanya memiliki z-dioda dari input ke GND dan beberapa trik lain untuk mencegah kerusakan ESD).