Tolerancia de entradas lógicas en exceso de Vcc

Haciendo referencia a este inversor TI como una pieza de ejemplo: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74ac14.pdf

En concreto, la tabla de la parte inferior de la página 2 (pondría una foto pero no sé dónde subirla). Enumera el Vcc máximo como 6V. También dice que el rango de entrada de voltaje es de -0.5V a Vcc+0.5V. También hay una nota 1 que dice "Las clasificaciones de voltaje de entrada y salida pueden excederse si se observan las clasificaciones de corriente de entrada y salida".

Quiero usar un Vcc de 3.3V, pero tengo una entrada que sería de 5V. TI tiene otros inversores que permiten entradas de 5 V con 3,3 V Vcc, pero su corriente de fuga de entrada es demasiado alta para mis otras entradas. Por lo tanto me interesa explorar esta nota.

¿Qué significa cuando dice "si se observa la clasificación de corriente de entrada"? ¿Sería esta la corriente de pinza de entrada, Iik (+/- 20 mA)? Si es así, ¿eso significa que necesito colocar una resistencia en serie frente a la entrada, de modo que, por ejemplo, 5V - 3.3V = 1.7V (EDIT: y reste la caída del diodo 0.5V = 1.2V) caída sobre la resistencia en serie induce Iik < 20mA? ¿Debería preocuparme que esta resistencia en serie sea demasiado grande, de modo que la corriente inducida sea menor que la corriente de entrada Ii = +/- 1 uA máx.?

Esta pregunta está ligeramente relacionada con otra pregunta en este intercambio de pila ( ¿Por qué es importante no exceder Vcc en la entrada a una puerta lógica? ), Donde una respuesta menciona de manera casual el uso de resistencias para limitar las corrientes de entrada, pero me gustaría más detalles usando un ejemplo concreto, especialmente porque esta hoja de datos implica que es posible hacerlo de manera segura.

Respuestas (3)

Tenga muy en cuenta que la nota 1 a la que hace referencia en la hoja de datos se aplica a la tabla de clasificaciones de tensión máxima absoluta únicamente encima de la nota.
Tenga en cuenta que la nota de la tabla a continuación DEBE ser lo que usa para la operación normal.
La tabla de operación normal dice que los voltajes de entrada y salida tienen límites inferior y superior de 0V (tierra) y vcc respectivamente durante la operación normal.

Si infringe los requisitos de condiciones normales de funcionamiento de la hoja de especificaciones, es posible que experimente condiciones de funcionamiento anómalas. Estos pueden variar desde un funcionamiento perfectamente normal pasando por un mal funcionamiento completo en todos los casos hasta el peor de los casos en impredecible posiblemente desapercibido hasta que algo realmente crítico depende de su mal funcionamiento. Esto puede incluir morir, almacenar fuego o hacer cualquier cosa que no esté en contra de las leyes de la física en las circunstancias dadas.

El tutorial de Sparkfun es bueno en general, pero contiene un consejo terriblemente malo,

La solución de resistencia y diodo de Sparkfun es segura, pero el pulldown o bajo es de aproximadamente 0,6 V y el pullup es lento en comparación con una conmutación de puerta, ya que la resistencia de 10k debe cargar la puerta con una capacitancia de entrada perdida. Estos efectos a menudo no importarán.

La solución Sparkfun MOSFET es excelente, aunque el MOSFET utilizado es algo marginal con un voltaje de compuerta de 3V3.

Las resistencias de 10k de la serie Sparkfun en cada línea son una invitación al desastre y los problemas aleatorios para siempre.

NO LO HAGAS !!!!

ingrese la descripción de la imagen aquíPara mantener el IC en los límites de la hoja de especificaciones, Vin <= 3V3, de modo que el flujo de corriente en la resistencia de 10k = V/R = (5V- 3v3)/10k = 170 microamperios.
170 uA no es mucho en la mayoría de las circunstancias normales + aquí es muy probable que lleve el pin por encima de 3V3. La conducción del diodo de captura comienza de manera razonablemente notable a aproximadamente 3,8 V y está en pleno apogeo a los 4 V. A 4V puede esperar alrededor de (5-4)/10k = 100 uA. Esta corriente a menudo se inyectará en el sustrato del IC en lugares para los que nunca fue diseñado y puede causar un transistor parásito o puede bloquear los nodos en los dispositivos existentes al inspeccionar la carga que no puede disiparse en los nodos flotantes.

MUCHAS personas argumentan violentamente en contra de lo anterior. Dicen que está bien violar los límites de la hoja de especificaciones e inyectar corriente en lugares a los que no pertenece y que tales acciones son consistentes con las buenas prácticas de ingeniería. Aléjate humildemente de esas personas con las manos a la vista.

AGREGADO

Puede que no haya sido lo suficientemente claro en lo que estaba tratando de decir.
La tabla de la hoja de datos en la parte inferior de la página 2 se titula
"Condiciones de funcionamiento recomendadas (consulte la Nota 3)".
ARRIBA de la tabla se encuentran las notas 1 y 2, PERO SÓLO se hace referencia a ellas en la tabla que se encuentra arriba de ellas, en la mitad de la página, titulada
"valores nominales máximos absolutos sobre el rango de temperatura de funcionamiento del aire libre (a menos que se indique lo contrario)".

es decir, hasta el final de la nota 2 se relaciona con el peor de los casos de supervivencia de IC.
A CONTINUACIÓN, la nota 2 se refiere al funcionamiento del IC. Nada en la nota 2 y arriba dice que el IC FUNCIONARÁ NORMALMENTE. Solo que sobrevivirá.

Tenga en cuenta que esto NO es pedantería: así es como se pretende leer la hoja de datos, pero no siempre es 100% claro cuando se presenta todo junto. Los datahseets esencialmente siempre comienzan con una sección de supervivencia de abs max y luego siguen con una sección recomendada. "Recomendado" tiene valores mínimos y máximos para varios parámetros y transgredirlos significa que no puede garantizar el funcionamiento correcto.

En el caso de corrientes de diodo de protección

  • 10 mA casi garantizarán un desastre y 1 uA casi garantizarán que no haya problemas observables.

  • A 1 mA y 10 uA es probable que tenga problemas y probablemente esté bien.

  • A 100 uA y 100 UA (es decir, se encuentran), se encuentra en un área gris y cualquier cosa puede suceder y, a veces, sucede. Puede ser aleatorio, intermitente y destruir proyectos y, a veces, productos. Ocasionalmente puede destruir la vida.

La buena ingeniería y Murphy dicen que no se sale del rango mínimo-máximo de la hoja de especificaciones.

Espero que el IC haya sido diseñado para que la corriente de un diodo de sujeción no se inyecte al azar en el cuerpo. Y el encabezado dice "Abs Max (a menos que se indique lo contrario) ", por lo que la nota me lleva a creer que el máximo real es excesivo Iik para este IC en particular . Sin embargo, tiene razón en que no puede simplemente confiar en esto sin una excepción señalada. Cualquier chip de reemplazo potencial tendría que ser capaz de soportar exactamente las mismas condiciones.
@ ajs410 - Puedes esperar :-). De hecho, algunos aspectos relacionados con esto están diseñados contra los circuitos integrados modernos. Un resultado es una condición llamada "bloqueo de SCR" donde la conducción del diodo se activa en un SCR parásito a través del suministro. La magia y otros humos pueden ocurrir y la destrucción de circuitos integrados no era infrecuente. Durante muchos años, la gente ha diseñado anillos de protección y otras formas de protección para minimizar este efecto. Pero eso se debe a que la condición de abs max está destinada a no causar la destrucción de IC. La protección contra el mal funcionamiento es menos necesaria, ya que solo establece límites que son seguros y las personas no los superan. Correcto ?:-)
Por desgracia, ha crecido una o dos generaciones que no saben lo que significan "máximo absoluto" y "operativo", y argumentarán por mucho para justificar lo que son prácticas de ingeniería manifiestamente realmente malas e injustificables. Por desgracia, algunos de estos trabajan para proveedores de circuitos integrados y escriben notas de aplicación :-(. Estos NO son los diseñadores de circuitos integrados y pueden y, de vez en cuando, sacan basura total. Caveat emptor, etc.
No estoy tratando de discutir extensamente con usted, solo señalo que la hoja de datos (no una nota de la aplicación) dice "Calificaciones máximas absolutas (a menos que se indique lo contrario)", y que de hecho se indica. Mi pregunta realmente se reduce a "¿la corriente de entrada está hablando de Iik?"
@RussellMcMahon: Eso probablemente se deba al hecho de que muchas hojas de datos están escritas con una gran brecha entre las características anunciadas en la primera página y sus características operativas definidas. Si un dispositivo afirma en la página 1 que sus pines pueden generar o hundir 20 mA, y la página de clasificaciones máximas absolutas da por pin de corriente como 20 mA, y lo único que tienen que decir las Condiciones de funcionamiento recomendadas es que VOL será 0,5 V a 4 mA, ¿Debería un ingeniero pensar o no que debería ser seguro conducir un LED a través de una resistencia que pasaría 15 mA si la salida estuviera conectada a tierra a 0 V?
@RussellMcMahon: Realmente deseo que los fabricantes hagan un mejor trabajo al decir explícitamente en qué características del dispositivo se debe o no confiar. Por ejemplo, incluso si un fabricante no pudiera garantizar que pasar 20 mA a través de un diodo de abrazadera no interrumpiría el funcionamiento, probablemente podría garantizar un nivel seguro de corriente; si la pieza puede verse interrumpida incluso por una pequeña cantidad de corriente, deben especificar "Condiciones recomendadas: Corriente de sujeción del diodo: 1pA" para hacerlo explícito.
@ ajs410 - Ver además de mi respuesta.
@supercat: la distinción abs max / operating generalmente se dibuja con precisión en blanco y negro. Solo necesita ponerse los filtros cerebrales del escritor al leer la hoja de especificaciones :-). por ejemplo, aquí SÍ garantizan cierta corriente segura en el modo de funcionamiento. Es cualquier corriente que fluya en los diodos catécnicos cuando la entrada está en cualquier lugar dentro del rango de suministro. Esto generalmente equivale a ~~~ 0.0000 uA. es decir, lo especifican en términos de voltaje y no de corriente. La corriente sigue. Diría que PROBABLEMENTE era seguro ir a aproximadamente 0.3V fuera del rango de 0-Vcc de cualquier manera y tal vez 0.4 y probablemente no 0.5 PERO tal vez no :-).
@RussellMcMahon: si uno conecta dos dispositivos, una lectura literal estricta y precisa de las hojas de especificaciones exigiría en muchos casos que incluso si ambos dispositivos X e Y funcionan con el mismo suministro, uno tendría que tener un circuito limitador en el I/ O pines entre ellos, para permitir el hecho de que X podría tener más corriente que Y, lo que hace que sus trazas de suministro caigan un milivoltio adicional; si la salida de Y llegara hasta su VDD, podría exceder el VDD de X en un milivoltio más o menos. Bajo una lectura estricta de la hoja de datos, eso sería inadmisible.
@RussellMcMahon: En la práctica, con relativamente pocas excepciones, para que un dispositivo no esté satisfecho, tanto el voltaje como la corriente deben exceder ciertos valores 'problemáticos'; limitar cualquiera de los dos a un nivel seguro casi siempre sería suficiente para mantener las cosas felices.
@supercat: la hoja de especificaciones de los diodos del cuerpo siempre habla en voltaje con VCC o tierra. Entonces sucede la corriente. Para la mayoría de los circuitos integrados, la especificación es de 0,3 V o 0,4 V fuera de los rieles, por lo que la interconexión de iguales especificaciones con un suministro compartido cumple con este requisito en condiciones normales de ruido. Estoy de acuerdo en que el ruido en un Vcc de cualquier magnitud viola teóricamente el límite de Vin cuando es 0-Vcc. Esto podría superarse no operando carril a carril, pero hay un límite para la observancia sensata. PERO el límite no está donde muchas personas lo establecen. ...
@supercat - Tenga en cuenta mi regla general sugerida de corrientes - / y posibles efectos coincidentes de 1 10 100 1000 uA. Muy muy guía única y empírica | 1 uA = muy poco probable que importe. 10 uA = probablemente bien. Podría causar algunos efectos en, por ejemplo, entradas analógicas. Otro = posible pero sería desafortunado*. 100 uA = "¿Te sientes afortunado, punk?" es decir, ciertamente puede tener problemas en algunos casos a veces. 1 mA = empujando tu suerte en exceso. 10 mA = alejarse de la pared alejarse correr ... . | * re "desafortunado": a Murphy le encanta interactuar con "desafortunado".
Buenas reglas. Mi punto era que muchos "ROC" están escritos de tal manera que el cumplimiento estricto agregaría una complejidad innecesaria con la que nadie se molesta. Me pregunto por qué los fabricantes no especifican las reglas de ROC que definirían "oficialmente" una pequeña cantidad de tolerancia operativa más allá de los rieles (por ejemplo, 200 mv o 100 uA) o, para dispositivos lógicos de enclavamiento, especifican una asignación de tiempo entre cuando un la entrada de reloj de la parte aguas arriba se eleva por encima del VIL y el reloj de una parte aguas abajo se eleva por encima del VIH, suponiendo que las piezas sean de la misma familia, a temperaturas dentro de los 5 °C, VDD dentro de los 100 ms y fecha de fabricación dentro de un año.
A menudo, por la forma en que se escriben las especificaciones de propagación y tiempo de espera, no habría garantía de que uno pueda alimentar de forma segura la entrada a un pestillo desde la salida de otro, incluso en el mismo chip, ya que el tiempo mínimo de propagación podría ser cero y requiere espera el tiempo puede ser positivo. En la práctica, la mayoría de las partes están construidas de tal manera que garantizan que las salidas no cambiarán hasta que su entrada esté "totalmente" bloqueada, pero no sé nada en la especificación que garantice eso.
@RussellMcMahon: veo tu edición y nuevamente entiendo lo que intentas decir. Pero la forma en que todo está redactado ("a menos que se indique lo contrario") implica que el rango de voltaje de entrada en realidad NO es una clasificación máxima absoluta bajo ciertas condiciones. Dudo en marcar su respuesta como aceptada porque es condescendiente ("ay, una generación ..."), pero es la respuesta más completa proporcionada. Sin embargo, la próxima vez te agradecería que fueras menos sarcástico.
ajs410 - No pretendo ser grosero, PERO la aceptación de las respuestas es mucho menos importante para mí que hacer un punto totalmente válido. "Alas a generation" pretende ser pintoresco, no sarcástico :-). Y fue en un comentario y no en la respuesta. Y, por desgracia, es verdad. Falta suficiente rigor como para que a los redactores de hojas de datos se les permita hacer cosas malas y alentar a otros. En otra área (LED sobrecargados debido a diseños SMP descuidados), he escrito a los fabricantes que deberían saberlo mejor y que han sido ignorados. A Murphy no le importa cómo discutimos, solo cómo diseñamos las cosas :-)

La especificación significa que, siempre que VDD se mantenga dentro de los límites y se excedan otros límites, uno puede generar o absorber 20 mA desde cualquier pin de E/S sin tirar lo suficiente como para dañar la pieza, y uno puede conectar cualquier pin de E/S a un tensión rígida entre -0,5 V y V CC +0,5 V sin conducir suficiente corriente a través de los diodos de abrazadera para dañar la pieza. Tenga en cuenta que las únicas garantías con respecto a tirar de un pin de E/S más allá de los rieles son las indicadas anteriormente. En particular, no hay garantía en la hoja de datos de que tirar de un pasador, incluso un milivoltio más allá de los rieles, no interrumpirá el funcionamiento de la pieza, simplemente que no causará daños permanentes.

+1 por mencionar la diferencia entre "no causará daños permanentes" y "no interrumpirá el funcionamiento de la pieza".

Este es un buen tutorial sobre el tema de SparkFun. Una resistencia de 10K entre la salida de 5V y la entrada de 3,3V limita la corriente a algo inofensivo. Esto solo funciona si su IC tiene diodos de protección de entrada al riel. Dado que la corriente "normal" para la lógica CMOS es 0, no necesita preocuparse de que el valor de su resistencia sea demasiado grande a menos que sea tan grande que la capacitancia de la puerta se convierta en un factor limitante.

La corriente en cuestión fluye desde la salida de 5 V, a través de la resistencia en serie, a través del diodo de protección en el pin de 3,3 V y al riel de 3,3 V. Si su regulador de voltaje no puede manejar la corriente inversa (común), entonces debe colocar una resistencia de derivación entre 3V3 y GND para llevarse la corriente.

Lo bueno de este método es que no siempre funciona. Según Xilinx, está bien para sus "dispositivos Spartan 3 y 3E con diodos de alimentación y de tierra", pero no para los FPGA Spartan 3A extendidos.

¿El flujo de corriente del riel de 5 V al riel de 3,3 V implica que mi regulador de 3,3 V debería ser capaz de manejar la protección de corriente inversa?
Debe asegurarse de que el riel de 3.3V pueda absorber la corriente. Por lo general, tiene otros componentes que extraen corriente del riel, por lo que no es un problema, pero algunos circuitos de baja potencia no extraen casi nada del riel. Siempre puede agregar una carga de resistencia al riel, o un diodo zener o algo así.
Acabo de dar a este mi primer voto negativo. Lo siento :-(. Me temo que este es un consejo terriblemente malo. Consulte mi respuesta para ver por qué. Es una mala ingeniería exceder los límites de condiciones de funcionamiento normales de la hoja de datos (no ¿ALGUIEN aquí no está de acuerdo con esa declaración?) y la hoja de datos dice que Vin DEBE estar entre 0V y Vcc durante el funcionamiento normal. Puede exceder 0-Vcc hasta 0.6V SOLAMENTE cuando se manejan límites máximos absolutos.
@markrages Una vez recordé vagamente algo de una hoja de datos de FPGA que hablaba sobre esta corriente inversa. Tu comentario tiene sentido; siempre que haya suficiente carga para hundir la corriente inversa, está bien, porque el regulador solo generará menos corriente para compensar. Pero no puede tener tanta corriente inversa que el regulador necesite absorber corriente para compensar, a menos que esté especialmente diseñado para hacerlo.
Aquí hay un enlace relacionado con FPGA en corriente inversa. xilinx.com/support/answers/20496.htm Los componentes que consumen corriente podrían ser algo así como Rpar en el enlace. Y el riel de 2.5V en los chips Xilinx también suele tener una corriente bastante baja.
@ ajs410: por desgracia, no es el problema de bombeo del bus el problema; ese es un problema en sí mismo, pero el hecho de que si la corriente llega al bus 3V3 a través de diodos corporales, también llega a través del IC subsrate en un no diseñado conducta. Cualquier cosa que pueda suceder puede suceder y algunas veces sucede.
@RussellMcMahon Agradezco su preocupación, pero Xilinx dice que está bien para ciertos dispositivos. Claramente, el truco es determinar si tiene o no esos dispositivos. O simplemente podría usar un divisor de voltaje de resistencia.
@joeforker: cada vez que la sección de especificaciones operativas de la hoja de datos dice que está bien, está bien para mí. PERO si está en la sección de abs max o en una nota de aplicación, me alejaría lentamente con las manos a la vista y leería la sección de operación de la hoja de datos. Cualquier otro lugar es irrelevante. Los escritores de notas de aplicaciones pueden producir basura y salirse con la suya, y algunos lo hacen. Los redactores de hojas de especificaciones pueden esperar que se les respete lo que dicen. El capítulo y el verso de Xilink serían de interés.
@joeforker: acabo de eliminar mi voto negativo, no porque piense de manera diferente sobre el problema técnico crucial involucrado, sino porque ahora se ha discutido bien y la gente puede decidir mejor si seguir la hoja de especificaciones o jugar a la ruleta rusa :-). Sin embargo, no puedo darle un voto, pero acabo de mirar sus otras respuestas y voté a favor de su respuesta de nivelación de desgaste de la tarjeta SD :-).
Está bien, no estoy jugando el juego por puntos.
Tolerancia de entradas lógicas en exceso de Vcc
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