論理ゲートへの入力でVccを超えないことが重要なのはなぜですか？

Vccより高い電圧が発生すると、論理ゲート（魔法の煙の放電以外）はどうなりますか？それは、ゲートが推奨されるVccよりも高い電圧を処理するように設計されていなかったという理由だけですか、またはチップが電圧の範囲内で動作する場合でも、通常、実際のVccに電圧を制限することも重要ですか？

重要なのは実際のVCCです。

論理ゲート（およびマイクロプロセッサ）には、すべての入力ピンと出力ピンに、VCCへのダイオードとGNDへのダイオードがあります。（pingsweptが言及したように、いくつかの「高電圧耐性」のあるオープンコレクターピンを持ついくつかのチップを除きます）。

その時に実際のVCCよりも高い入力を外部で駆動すると、電流がそのダイオードを流れます。

• そのダイオードを流れる電流をデータシートに記載されている最大電流以下に制限している限り、わずかな過電圧は永久的な損傷を与えません。ただし、ごく少量の電流に制限されている場合でも、これはチップ上のアナログ回路を破壊するのに十分です-1つのアナログ入力ピンを読み取るADCからのデジタル化された値は、VCC他のピン。

• そのダイオードを流れる一見小さな電流は、そのピンの周りのチップ上の領域を局所的に過熱し、そのピンに関連する機能を破壊する可能性があります。人は、その1つのピンに接続されているものを除いて、ソフトウェアがほとんど問題なく動作しているように見える理由を理解するために何日も費やすことができます。（どうやってこれを知っていると思いますか？）

• そのダイオードをわずかに大きい電流が過熱してチップ全体を破壊する可能性があります。

購入できるほぼすべてのICには、存在すると想定されているためにデータシートで説明されていない「非表示の機能」がいくつかあります。

これらの中には、ボディダイオード/ ESD抑制ダイオードがあります。これらの人たちは一般的に、基本的な論理ゲートからメモリ、そしてハイエンドのマイクロプロセッサまで、すべてのデバイスのすべてのI / Oピンを隠しています。これらは、VDD（電源電圧）よりも高い電圧またはVSS（電源コモン）よりも低い電圧を適切なレールにルーティングします。

これらの制限のいずれかを超える電圧を印加すると、ボディダイオードが順方向にバイアスされ、ピンのレベルをVDDまたはVSSに効果的にクランプします。これは良いことのように聞こえますが、一般的にはそうですが、非常に小さなデバイスであり、多くの電力を消費することはできません。最終的には、このダイオードに損傷を与える可能性があります（短絡またはブローして開放します）。前者の場合は、「スタックした」I / Oピンにつながる可能性があり、後者の場合は、次の過電圧が入力を破壊する可能性があります。

オープンコレクター出力は、既にpingsweptで述べたように、一部の出力を制御できるので便利です。厄介な電圧と接触する可能性のある入力と直列に小さな抵抗を配置するか、外部ダイオードを使用するか（1N914でさえ、IC自体の保護ダイオードと比較して非常に大きい）、デバイスを保護するのに良い方法です。

もちろん、これらのような継続的または反復的な過渡事象を処理するように入力または出力回路を適切に設計することは、それ自体が設計上の課題になる可能性があります。一般的に言って、高価な部品を吹き飛ばすことが心配な場合は、入力または出力を（はるかに）安価な、できればソケット付きのバッファーICでバッファリングします。

2つの問題：入力からGNDおよびVCCへの保護ダイオードは、入力の電圧がVCCを超えるかGNDを下回る場合、大電流を許容します。最終的に、ダイオードはかなり熱くなり、低抵抗になる可能性があります。つまり、ダイオードは入力からVCCまたはGNDへの短絡のように動作します。また、ラッチアップが発生する場合があります。これは、ICの入力回路の内部に隠れている寄生サイリスタがオンになり、外部電圧が存在し、電流が入力に流れる限りオンのままであることを意味します。最終的に、入力回路が熱くなり、恒久的な損傷が発生する可能性があります。

データシートでは、2つの点に注意する必要があります。チップに適用される実際のVCCに関連する入力電圧（V_inのような値は、VCC + 0.3V未満でGND-0.3Vを超える必要があります）と入力の絶対電圧ピン（たとえば、V_inは6V未満でなければなりません）。VCCに対する制限を超えると、内部ダイオードが破損する可能性があります。絶対制限を超えると、入力のCMOSトランジスタのゲートが切断される可能性があります。

3.3Vロジックと5Vロジック間のインターフェース用に設計された一部のロジックゲートは、IC自体に3.3Vが供給されている場合、入力で5Vを処理できますが、これらはまれです。これらのICには、入力からVCCへの保護ダイオードがありません（通常、入力からGNDへのZダイオードと、ESD損傷を防ぐための他のいくつかのトリックがあります）。