Protección del circuito de pinza de entrada digital

Question

Para poder conectar algún periférico a la entrada digital, estoy diseñando el circuito de protección para evitar cualquier posible fallo por cuestión de sobre/baja tensión. Por lo tanto, voy a añadir un circuito de protección de pinza. Los requisitos que necesito cumplir son:

• Fuente de alimentación (Vcc): 3V3
• Tensión máxima: 3V9 (3V3 + 0V6)
• Tensión mínima: -0V3 (GND - 0V3)
• Corriente máxima de entrada lógica: +/- 300nA

El circuito es el siguiente:

Se añade R1000 para limitar la corriente a 10mA. Se añade R1001 para limitar la corriente de entrada por debajo de 300nA.

Mis dudas son:

• ¿Podría modificarse el circuito en caso de necesitar soportar hasta 30V de entrada?
• ¿Cuál sería la mejor opción para ambos diodos (tensión directa, tensión de ruptura, corriente directa, etc.)?
• Como las entradas digitales pueden necesitar producir una interrupción ascendente, ¿será mejor añadir un schottky en lugar de un zener en el D1000?

Answer 1

Las directrices generales que se dan suelen estar bien

PERO

Usted NO DEBE superar la Vdd con cualquier tipo de capacidad de conducción.
Los 3V9 que citas son un valor MÁXIMO ABSOLUTO y tu controlador bien puede volverse loco si aplicas eso durante el funcionamiento. Mira la hoja de datos en la sección de "condiciones típicas de funcionamiento" y mira qué límites hay. En muy pocas hojas de datos, probablemente escritas por hombres de marketing o por el limpiador de la oficina, pueden decir que 0,2V o 0,3V fuera de los raíles está bien PERO más de 0,pequeño es peligroso. Los verdaderos diseñadores [tm] dicen 0.0V fuera de los rieles en sus hojas de datos.
La experiencia sugiere que el 1M que mostraste para R1001 es una buena idea si debes tener Vin > Vdd. Todavía no es maravilloso, pero será más probable que sea fiable.

Algunas personas argumentan largamente que la conducción de los diodos en el cuerpo a pequeñas corrientes durante el funcionamiento está bien. Escúchalos si no te importan los niveles comerciales de fiabilidad.

La corriente en los diodos de cuerpo suele fluir hacia el sustrato del CI y puede terminar en nodos que no suelen recibir alimentación y puede desencadenar una acción de FET espuria donde no suele haber ningún FET y puede provocar ruido en el ADCS. Estos efectos son insidiosos e imprevisibles y pueden ser fatales para la fiabilidad del diseño. Muchas piezas "RAD hard" (se pagan en oro) y algunas otras pueden estar diseñadas para tratar específicamente estos problemas, pero la gran mayoría no lo están.

SI sus pinzas de diodos permiten que la tensión de entrada sea siempre
>= Vin_high_min y
<= Vdd_min_actual
(y el equivalente para Vin baja) para todos los legales y probablemente Vin alta (y baja) durante la operación entonces usted será mejor que dictar con Murphy.

Answer 2

El requisito de una corriente de entrada máxima de +/-300nA significa que hay que sujetar la tensión de entrada a unos +/-100mV de los raíles de alimentación (dependiendo del rango de temperatura). Si realmente necesita esta especificación (por ejemplo, para asegurar funcionamiento normal durante los picos de entrada), entonces necesitarás una mejor sujeción que la que pueden proporcionar unas cuantas resistencias y diodos.

Sugiero una sujeción de las entradas con una resistencia en serie y diodos a tierra y un regulador shunt como el TL431, luego una resistencia en serie a un buffer CMOS. El buffer no excederá los voltajes de alimentación en su salida y la mayoría puede soportar varios mA en la entrada sin mayores problemas de funcionamiento (pueden consumir más corriente de alimentación pero no se bloquearán).

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Un requisito más normal es +/-300mV, pero aún así no se puede cumplir fácilmente con unas pocas piezas discretas.

Un requisito considerablemente relajado es el de +/-300mV o +/-100mA como máximo, ya que no se espera un funcionamiento normal durante las condiciones transitorias y puede ser necesario un reinicio para restablecer el funcionamiento normal. En particular, la precisión y la funcionalidad analógicas suelen verse alteradas por este tipo de cosas.

En tal caso, puede utilizar una simple resistencia en serie como 100K (utilizando la red de protección interna del chip). Hay que tener cuidado de que la corriente que pasa por la resistencia no eleve la tensión de alimentación cuando es positiva.

Presta atención a las precauciones de Russell ignorar las especificaciones es una buena manera de meterse en serios problemas. Mantener los voltajes de E/S de todos los chips exactamente dentro de los carriles de alimentación en condiciones transitorias suele ser prácticamente imposible.

Los primeros chips CMOS tenían una inmunidad muy pobre al latchup y un pequeño pico por debajo o por encima de los raíles de alimentación los hacía fallar espectacularmente. Hoy en día, el gigantesco SCR parásito que habita en la mayoría de los chips CMOS no militares (el SOS es una excepción) ha sido dominado en su mayor parte y tiende a causar un mal comportamiento más sutil, a menos que se les golpee realmente con un transitorio de alta corriente de muchas decenas de mA. Sin embargo, para las aplicaciones espaciales tenemos que tener en cuenta estas perturbaciones importantes y recuperarnos de ellas.

Answer 3

Esto es todo lo que necesitas:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

esto también elimina el problema de que un alto voltaje en la entrada levante su VCC local.

Cuando la entrada < -0.6 V D1 conducirá y limitará el GPIO a -0.6 V, R2 limita la corriente, su entrada GPIO podrá manejar esto (¡también tiene diodos de protección de entrada!)

Cuando la entrada > -0,6 V pero < 3,9 V D1 no hace nada, GPIO también feliz

Cuando la entrada > 3.9 V D1 conducirá, R2 limitará cualquier corriente, la entrada GPIO será feliz.

Alguien se quejó de que esto no funcionaba pero era demasiado perezoso para explicar por qué, pero lo descubrí yo mismo:

Aparentemente pasé por alto que los zenerdiodos de 3,9 V tienen muchas fugas en reversa así que bajé R1 a 10 kohm. Si aún así no se soluciona, puedes reemplazar el zenerdiode con 4 o 5 diodos estándar en serie, ver el segundo esquema.