¿Por qué es importante no exceder Vcc en la entrada a una puerta lógica?

Es el VCC real lo que importa.

Las puertas lógicas (y los microprocesadores) tienen un diodo a VCC y un diodo a GND en cada pin de entrada y salida. (Excepto por algunos chips que tienen algunos pines de colector abierto "tolerantes a alto voltaje", como se mencionó en pingswept).

Si maneja externamente una entrada más alta que el VCC real en ese momento, la corriente fluirá a través de ese diodo.

• Siempre que limite la corriente a través de ese diodo por debajo de la corriente máxima que figura en la hoja de datos, un ligero sobrevoltaje no causará ningún daño permanente. Sin embargo, incluso cuando se limita a cantidades muy pequeñas de corriente, esto es suficiente para interrumpir los circuitos analógicos en el chip: el valor digitalizado de un ADC que lee un pin de entrada analógica puede ser totalmente incorrecto cuando se altera por un voltaje ligeramente superior a VCC en algún otro pin.

• corrientes aparentemente pequeñas a través de ese diodo pueden sobrecalentar localmente la región del chip alrededor de ese pin, destruyendo la funcionalidad asociada con ese pin. Una persona puede pasar días tratando de descubrir por qué su software parece funcionar bien en su mayoría, a excepción de las cosas conectadas a ese pin. (¿Adivina cómo sé esto?)

• corrientes ligeramente más grandes a través de ese diodo pueden sobrecalentarse y destruir todo el chip.

Casi todos los circuitos integrados que puede comprar tienen una serie de "características ocultas" que se supone que están presentes y, por lo tanto, no se describen en la hoja de datos.

Entre estos se encuentran los diodos de cuerpo/diodos de supresión de ESD. Estos tipos generalmente se esconden en cada pin de E/S en cada dispositivo, desde puertas lógicas básicas hasta microprocesadores de alta gama, pasando por la memoria. Dirigen cualquier voltaje que sea mayor que VDD (voltaje de suministro) o menor que VSS (suministro común) al riel apropiado.

Si aplica un voltaje que excede cualquiera de estos límites, los diodos del cuerpo se polarizan directamente y sujetan efectivamente el nivel en el pin a VDD o VSS. Esto suena como algo bueno y generalmente lo es, pero son dispositivos muy pequeños y no pueden disipar mucha energía. Puede terminar dañando este diodo (cortándolo o reventándolo). En el primer caso, puede provocar pines de E/S "atascados", y en el último caso, la siguiente sobretensión puede destruir la entrada.

Las salidas de colector abierto son útiles para poder controlar algunas salidas, como ya se mencionó en pingswept. Poner resistencias pequeñas en serie con entradas que pueden entrar en contacto con voltajes desagradables y/o usar diodos externos (incluso un 1N914 es ENORME en comparación con los diodos de protección en el propio IC) es una buena manera de ayudar a proteger los dispositivos.

Por supuesto, diseñar adecuadamente su circuito de entrada o salida para manejar eventos transitorios continuos o repetidos como estos puede ser un desafío de diseño en sí mismo. En términos generales, si le preocupa quemar una pieza costosa, proteja la entrada o la salida con circuitos integrados de búfer (mucho) más baratos y preferiblemente con enchufe.

Dos problemas: los diodos de protección de una entrada a GND y VCC permitirán grandes corrientes si el voltaje en la entrada está por encima de VCC o por debajo de GND. Eventualmente, los diodos pueden calentarse mucho y volverse de baja resistencia, es decir, actuarán como un cortocircuito desde la entrada a VCC o GND. Además, puede ocurrir un bloqueo. Esto significa que un tiristor parásito oculto dentro del circuito de entrada del IC se encenderá y permanecerá encendido mientras el voltaje externo esté presente y haga que fluya una corriente hacia la entrada. Eventualmente, el circuito de entrada podría calentarse y ocurrir un daño permanente.

Hay dos cosas que observar en la hoja de datos: voltajes de entrada relativos al VCC real aplicado al chip (leen algo así como V_in debe ser menor que VCC+0.3V y mayor que GND-0.3V) y voltajes absolutos en la entrada pines (por ejemplo, V_in debe ser inferior a 6V). Exceder los límites relativos a VCC probablemente hará estallar los diodos internos. Exceder los límites absolutos probablemente volará la puerta de los transistores CMOS en la entrada.

Algunas compuertas lógicas diseñadas para interfaces entre lógica de 3,3 V y lógica de 5 V pueden manejar 5 V en la entrada cuando el circuito integrado en sí recibe 3,3 V, pero esto es raro. Estos circuitos integrados carecen de los diodos de protección de la entrada a VCC (y generalmente tienen diodos z de la entrada a GND y algunos otros trucos para evitar daños por ESD).