¿Importa la corriente para la entrada alta/baja en los circuitos?

Supongo que su pregunta es: "¿La corriente afecta la lectura en los pines de entrada del microcontrolador?"

Los pines de entrada típicos, ya sean digitales o analógicos, solo leen voltaje y son de alta impedancia . Es decir que los pines de entrada tienen una gran resistencia (1MΩ+), y a su vez no permitirán que fluya mucha corriente. Pero hay algo de corriente de fuga (a menudo menos de 1 μA).

Si tiene una señal de CC de 5 V y la conecta a varios pines de entrada, multiplicaría esa corriente de fuga (aunque el voltaje no se vería afectado).

Sin embargo, con suficiente consumo de corriente, una fuente de voltaje puede reducir su salida. Dependiendo de lo que suministre los 5V, es muy poco probable que la pequeña cantidad de corriente sea suficiente para bajar el voltaje a menos que haya cientos de pines de entrada leyendo el voltaje de un pequeño capacitor que no se está cargando.

Dado que está hablando de un pin de salida (uno que está configurado como salida y no como entrada), hay varias ideas relacionadas que pueden ayudar a responder su pregunta: impedancia/resistencia de salida y /o cumplimiento actual . Estoy seguro de que hay otros, pero esos dos me vienen a la mente de inmediato.

Dedicaré un momento al último término primero: cumplimiento actual . Este término se aplica a menudo a las fuentes de alimentación que proporcionan un voltaje de salida regulado. El cumplimiento actual es la cantidad de corriente que la fuente de alimentación puede proporcionar sin exceder sus otras especificaciones (como su capacidad para mantener el voltaje lo suficientemente cerca del voltaje de salida especificado o su capacidad para disipar el calor mientras proporciona ese nivel de corriente). Si bien este término es bastante común para las especificaciones de la fuente de alimentación, se puede usar casi también para los pines de salida para señalar las limitaciones en su capacidad para hundirse o generar corriente (cuando está BAJO, se están "hundiendo" y, cuando está ALTO, están "surtiendo". " [si la MCU usa un suministro de voltaje de valor positivo, de todos modos.])

Sin embargo, es el primer término el que probablemente se entienda y aplique con mayor rapidez en casos como este. La resistencia de salida de la salida probablemente será diferente cuando sea BAJA y cuando sea ALTA. Averigüemos por qué y, en el proceso, también aprendamos algunos detalles adicionales que pueden ayudarlo de manera más general. (Me baso en otra respuesta que proporcioné hoy, que es conveniente para mí y para usted).

En una salida típica de MCU CMOS, cuando manejan BAJO, encienden un MOSFET de canal N; y cuando conducen ALTO, encienden un MOSFET de canal P. (¡Nunca los encienden a los dos al mismo tiempo!) Debido a las diferencias de movilidad que se aplican al canal N frente al canal P (alrededor de un factor de diferencia de 2 a 3), se necesita un esfuerzo adicional para hacer que el P- El dispositivo de canal exhibe una "calidad" similar a la de un interruptor.

Veamos un ejemplo del Microchip PIC12F519 (una de las partes más baratas de Microchip que aún incluye algo de almacenamiento interno no volátil grabable para datos). Su hoja de datos incluye este gráfico que muestra el voltaje de salida BAJO (eje vertical) frente al hundimiento BAJO actual (eje horizontal), cuando la CPU está usando$V_{CC}=3\:\textrm{V}$:

Para leer este cuadro, observe el eje horizontal que muestra la corriente descendente. No muestran el gráfico volviendo a cero porque no es necesario. Basta con ver que sólo hay un voltaje minúsculo (alrededor de$230\:\textrm{mV}$) al hundirse$5\:\textrm{mA}$. Lo que esto significa es que si conectó un circuito a este pin, donde BAJO significa ENCENDIDO (¿como un LED?), entonces solo habrá menos de un cuarto de voltio de pérdida en el pin de E/S. Así que si tuvieras un$3\:\textrm{V}$fuente de alimentación que proporciona voltaje al otro lado del circuito, entonces si el circuito solo necesita$5\:\textrm{mA}$, entonces el circuito vería sobre$3\:\textrm{V}-230\:\textrm{mV}=2.77\:\textrm{V}$. Eso suele ser "lo suficientemente bueno" para trabajar.

¿ Cómo se aplica esto a la resistencia de salida ? Bueno, dada la caída de aproximadamente$230\:\textrm{mV}$en una corriente descendente de$5\:\textrm{mA}$, esto da como resultado una resistencia de salida de aproximadamente$R_{LOW}=\frac{230\:\textrm{mV}}{5\:\textrm{mA}}\approx 46\:\Omega$. Puede calcular esto a la corriente más alta de$10\:\textrm{mA}$:$R_{LOW}=\frac{420\:\textrm{mV}}{10\:\textrm{mA}}\approx 42\:\Omega$. Entonces, a partir de estos dos bits de datos, diría que la impedancia de salida es aproximadamente una constante$50\:\Omega$cuando está BAJO y funcionando$3\:\textrm{V}$.

Es muy útil saber esto porque ahora puede calcular los detalles de cuánto voltaje le sobrará, dada cualquier corriente de carga esperada en particular usando las leyes eléctricas básicas: Ohm, las leyes de voltaje y corriente de Kirchhof y los equivalentes de Thevenin/Norton.

Por separado, el siguiente gráfico muestra el voltaje de salida ALTO (eje vertical) frente a la corriente de suministro ALTA (eje horizontal), también cuando la CPU está usando$V_{CC}=3\:\textrm{V}$:

(Puede ver fácilmente que ni siquiera se molestan en intentar mostrar las mismas capacidades actuales de hundimiento frente a suministro entre estos dos gráficos).

Ahora puede ver en este segundo gráfico que el PICF519 generalmente caerá$600\:\textrm{mV}$en una fuente de corriente de$4\:\textrm{mA}$, lo que sugiere una resistencia interna de aproximadamente$R_{LOW}=\frac{600\:\textrm{mV}}{4\:\textrm{mA}}\approx 150\:\Omega$.

(NOTA: En los dos gráficos anteriores, extraje datos de las curvas para$25^\circ\textrm{C}$.)

Tenga en cuenta que los cálculos anteriores en corrientes cercanas de hundimiento frente a corrientes de suministro también muestran dos valores de resistencia que son aproximadamente un factor de tres entre sí (alrededor de$50\:\Omega$contra$150\:\Omega$.) Esto sugiere que el tamaño de los dos mosfets utilizados para impulsar la salida son aproximadamente del mismo tamaño, pero que la diferencia en la resistencia de salida se debe a las diferencias en la movilidad que mencioné al principio, que entre P-canal y N -Mosfets de canal.

De lo anterior, encontrará un par de ideas útiles. Una es que un pin de E/S configurado para salida tendrá un mayor cumplimiento de corriente cuando se usa BAJO como estado activo (ENCENDIDO) que cuando se usa ALTO como estado activo (ENCENDIDO). Dos es que puede usar la idea de la resistencia de salida para ayudarlo a calcular el precio que paga (en la caída de voltaje que pierde en el pin de salida y que, por lo tanto, no está disponible para el circuito), dado cualquier circuito externo propuesto específico. Incluso puede determinar a partir de esto si necesitará o no transistores externos adicionales para "aumentar" el cumplimiento actual.

Así que estas dos ideas son complementarias y bastante útiles. Y también le he mostrado cómo puede extraer información útil de una hoja de datos.

Tenga en cuenta que esta resistencia de salida establece límites útiles a lo que puede controlar directamente desde cualquier pin de salida. Entonces, para responder directamente a su pregunta, "¿Importa si la corriente en una señal alta/baja es de 3 mA o 0,0003 mA", la respuesta es, por supuesto, "¡Sí, importa!"

Creo que lo que estás preguntando se refiere a la distribución.

Una salida de compuerta lógica que funciona con un suministro de Vdd/GND generalmente consta de dos transistores: uno que conecta Vdd al pin de E/S y otro que conecta el pin de E/S a GND. Esto solía llamarse una salida de tótem, aunque probablemente ya no lo sea.

En las primeras puertas lógicas de los años 60 y 70 (como 74xx/74LSxx), la tecnología de transistores e IC significaba que estos controladores de salida solo podían proporcionar unos pocos mA y los circuitos de entrada que los cargaban tomaban cerca de mA de su controlador.

Esto condujo al término 'fan-out'. Este es el número máximo de entradas que una salida podría controlar, dentro de una familia lógica particular. Las figuras de despliegue como 10 o 20 eran comunes, por lo que era una restricción a tener en cuenta al diseñar.

La introducción de puertas de sierra lógica 74HC (T) con salidas del orden de 10 mA y entradas de 10 uA. Esto mostró las capacidades mejoradas de los chips lógicos cuando se introdujeron en 1986. La importancia de la distribución comenzó a desvanecerse.

Los pines de E/S de nivel lógico MCU de hoy en día son excelentes tanto en la corriente de salida relativamente alta que pueden expulsar como en la corriente de entrada relativamente pequeña que extraen de lo que los está impulsando. Las salidas con control de 2..20 mA ahora están cargadas con muchos 1..3 uA o similares.