邏輯電平案例：從IO口結(jié)構(gòu)分析電流倒灌的原因及解決措施

在邏輯電平互連的過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)電流倒灌的現(xiàn)象。本篇從IO口的結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析電流倒灌的原因及解決措施。

1、IO口結(jié)構(gòu)

IO口根據(jù)接口類型的不同，分為高阻、三態(tài)、推挽、開漏等，但除了功能性區(qū)別外，幾乎所有IO口都會存在如下結(jié)構(gòu)所示的四個二極管。

D1在大多數(shù)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管。

D2是半導體集成所產(chǎn)生的寄生二極管(存在于所有數(shù)字集成電路)，其輔助功能為對線路反射的下沖信號進行限幅，提供一些放電保護功能。

D3用于保護CMOS電路在放電時的干擾。在大多數(shù)雙極性器件中也存在此二極管，但為寄生二極管。在集電極開路和三態(tài)輸出的雙極性器件中無此二極管。

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

STM32的IO口結(jié)構(gòu)

2、電流倒灌的原因及解決措施

當使用CMOS型器件作為接口芯片時，如果Vcc2斷電，Vcc1繼續(xù)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迅速過載并使其損壞。CMOS器件中D1只能承受20mA的電流）并在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(xiàn)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管D1，但不能解決灌流在Vcc上建立電壓；

如圖（b）：在信號線上加二極管D3及上拉電阻R，D3用于阻斷灌流通路，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管D1的問題，又可解決灌流在Vcc上建立電壓。缺點是二極管D3的加入降低了G1的低電平噪聲容限；

如圖（c）：在G1的電源上增加二極管D7。缺點是前級輸出高電平時，G1通過D1獲得電壓并輸出高電平給后級電路。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（即采用沒有D1二極管的器件），由于雙極型器件沒有保護二極管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