邏輯電平案例:從IO口結構分析電流倒灌的原因及解決措施

2020-12-22 電子發燒友

邏輯電平案例：從IO口結構分析電流倒灌的原因及解決措施

傳感器技術 發表於 2020-12-20 12:15:09

在邏輯電平互連的過程中，經常會出現電流倒灌的現象。本篇從IO口的結構出發，分析電流倒灌的原因及解決措施。

1、IO口結構

IO口根據接口類型的不同，分為高阻、三態、推挽、開漏等，但除了功能性區別外，幾乎所有IO口都會存在如下結構所示的四個二極體。

D1在大多數CMOS集成電路中起著防靜電功能，同時輔助起著輸入端限幅作用。但是在ABT、LVT、LVC和AHC/AHCT類集成電路中無此二極體。

D2是半導體集成所產生的寄生二極體(存在於所有數字集成電路)，其輔助功能為對線路反射的下衝信號進行限幅，提供一些放電保護功能。

D3用於保護CMOS電路在放電時的幹擾。在大多數雙極性器件中也存在此二極體，但為寄生二極體。在集電極開路和三態輸出的雙極性器件中無此二極體。

D4在所有集成電路中均存在此二極體。它是器件的集電極或漏極的二極體。在雙極性器件中還附加了一個肖特基二極體對線路反射的下衝信號進行限幅。在CMOS電路中附加了二極體以增加防靜電功能。

STM32的IO口結構

2、電流倒灌的原因及解決措施

當使用CMOS型器件作為接口晶片時，如果Vcc2斷電，Vcc1繼續供給G1，G1的高電平輸出電流將通過D1向Vcc2上的電容充電（該充電電流將使D1迅速過載並使其損壞。CMOS器件中D1隻能承受20mA的電流）並在Vcc2上建立一電壓，該電壓使使用Vcc2供電的其它電路工作不正常，特別是可編程器件。

針對上述現象，解決措施如下：

如圖（a）：在信號線上加一個幾歐姆的限流電阻，可防止過流損壞二極體D1，但不能解決灌流在Vcc上建立電壓；

如圖（b）：在信號線上加二極體D3及上拉電阻R，D3用於阻斷灌流通路，R解決前級輸出高電平時使G1的輸入保持高電平。此方法既可解決灌流損壞二極體D1的問題，又可解決灌流在Vcc上建立電壓。缺點是二極體D3的加入降低了G1的低電平噪聲容限；

如圖（c）：在G1的電源上增加二極體D7。缺點是前級輸出高電平時，G1通過D1獲得電壓並輸出高電平給後級電路。同時降低了G1的供電電壓，使其在正常使用時高電平輸出電壓降低。

最有效的解決方法是使用雙極型的器件（如LS系列器件，ABT系列器件）作為接口（即採用沒有D1二極體的器件），由於雙極型器件沒有保護二極體D1存在，故不存在灌流通路。需要注意的是這時接口的輸入、輸出信號線上不能加上拉電阻（雙極型器件輸入懸空當高電平對待）。

編輯：hfy

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