Por que é importante não exceder Vcc na entrada de uma porta lógica?

O que acontece com um portão lógico (além da descarga mágica de fumaça) vendo uma tensão maior que Vcc? É apenas porque o gate não foi projetado para lidar com uma tensão mais alta que a Vcc recomendada, ou também é geralmente importante limitar a tensão à Vcc real, mesmo que o chip funcione dentro de uma faixa de tensões?

É o VCC real que importa.

As portas lógicas (e microprocessadores) possuem um diodo para VCC e um diodo para GND em cada pino de entrada e saída. (Exceto alguns chips que possuem alguns pinos de coletor aberto "tolerantes a alta tensão", como mencionado na varredura).

Se você dirigir externamente uma entrada mais alta que o VCC real no momento, a corrente fluirá através desse diodo.

• Desde que você limite a corrente através desse diodo abaixo da corrente máxima listada na folha de dados, uma leve sobretensão não causará danos permanentes. No entanto, mesmo quando limitado a quantidades muito pequenas de corrente, isso é suficiente para interromper os circuitos analógicos no chip - o valor digitalizado de um ADC que lê um pino de entrada analógica pode estar totalmente errado quando é perturbado por uma tensão ligeiramente acima do VCC algum outro alfinete.

• aparentemente pequenas correntes nesse diodo podem superaquecer localmente a região no chip em torno desse pino, destruindo a funcionalidade associada a esse pino. Uma pessoa pode passar dias tentando descobrir por que seu software parece funcionar principalmente bem, exceto por coisas conectadas a esse pino. (Adivinha como eu sei disso?)

• correntes ligeiramente maiores através desse diodo podem superaquecer e destruir todo o chip.

Quase todo IC que você pode comprar possui vários "recursos ocultos" que são assumidos como presentes e, portanto, não são discutidos na folha de dados.

Entre esses estão os diodos corporais / diodos de supressão de ESD. Esses caras geralmente se escondem em todos os pinos de E / S em todos os dispositivos, desde portas lógicas básicas até memória e microprocessadores de última geração. Eles direcionam qualquer voltagem maior que VDD (tensão de alimentação) ou menor que VSS (alimentação comum) para o trilho apropriado.

Se você aplicar uma tensão acima de um desses limites, os diodos do corpo ficarão com polarização direta e prenderão efetivamente o nível no pino ao VDD ou VSS. Isso parece bom e geralmente é, mas eles são dispositivos muito pequenos e não podem dissipar muita energia. Você pode acabar danificando esse diodo (criando um curto-circuito ou abrindo-o). No primeiro caso, isso pode levar a pinos de E / S "presos" e, no último caso, a próxima sobretensão pode destruir a entrada.

As saídas de coletor aberto são úteis para poder controlar algumas saídas, como já mencionado anteriormente. Colocar pequenos resistores em série com entradas que podem entrar em contato com tensões desagradáveis ​​e / ou usar diodos externos (até um 1N914 é ENORME em comparação com os diodos de proteção no próprio IC) é uma boa maneira de ajudar a proteger os dispositivos.

Obviamente, projetar adequadamente os circuitos de entrada ou saída para lidar com eventos transitórios contínuos ou repetidos como esses pode ser um desafio por si só. De um modo geral, se você estiver preocupado em explodir uma peça cara, armazene em buffer a entrada ou saída com (muito) ICs de buffer mais baratos e de preferência com soquete.

Dois problemas: os diodos de proteção de uma entrada para GND e VCC permitirão grandes correntes se a tensão na entrada estiver acima de VCC ou abaixo de GND. Eventualmente, os diodos podem aquecer bastante e se tornar com baixa ôhmica, ou seja, agirão como um curto da entrada para o VCC ou o GND. Além disso, pode ocorrer travamento. Isso significa que um tiristor parasita escondido dentro do circuito de entrada do IC liga e permanece ligado enquanto a tensão externa estiver presente e fizer com que uma corrente flua para a entrada. Eventualmente, o circuito de entrada pode aquecer e ocorrerão danos permanentes.

Há duas coisas a serem observadas na folha de dados: tensões de entrada relativas ao VCC real aplicado ao chip (elas lêem algo como V_in deve ser menor que VCC + 0,3V e maior que GND-0,3V) e tensões absolutas na entrada pinos (por exemplo, V_in deve ser menor que 6V). Exceder os limites relativos ao VCC provavelmente queimará os diodos internos. Exceder os limites absolutos provavelmente explodirá a porta dos transistores CMOS na entrada.

Algumas portas lógicas projetadas para interfaces entre a lógica de 3.3V e a lógica de 5V podem lidar com 5V na entrada quando o próprio IC é fornecido com 3.3V, mas estes são raros. Esses ICs não possuem diodos de proteção da entrada para o VCC (e geralmente possuem diodos z da entrada para o GND e alguns outros truques para evitar danos por ESD).