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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Cmos - Allgemeine Frage


Autor: IDontKnow (Gast)
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Hallo alle zusammen,

eine kleine Frage ich habe diesen Schmitttrigger in einer 
Schaltung(nicht von mir)

http://www.seattlerobotics.org/encoder/sep99/mc145...

Der Schmitttrigger wird in der Schaltung mit 5V versorgt.
Nun mein Problem an einem Eingang des Schmitttriggers z.B Pin 1 liegen
12 V an.
Hält der Schmitttrigger die 12 V am Eingang aus wenn er nur mit 5 V 
versorgt wird?
Ach ja das wahrscheinlich wichtigste die 12 V liegen über einen 100k 
Vorwiderstand an.

Wie ist sowas Schaltungstechnisch in Ordnung?

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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> Hält der Schmitttrigger die 12 V am Eingang aus wenn er nur mit 5 V
> versorgt wird?

Nein.

> Ach ja das wahrscheinlich wichtigste die 12 V liegen über einen 100k
> Vorwiderstand an.

Dann liegen am Eingang aber nicht mehr die 12V, sondern nur noch etwa
5,5V an.

> Wie ist sowas Schaltungstechnisch in Ordnung?

Prinzipiell ja, wenn man weiß was man tut. Die Eingänge der meisten
CMOS-Bausteine sind intern mit Dioden gegen VCC und GND geschützt, um
elektrostatische Entladungen abzuleiten. Diese Dioden können auch zum
Schutz gegen länger anhaltende Spannungen eingesetzt werden, wenn man
dafür sorgt, dass der Strom begrenzt wird. Dafür ist der 100k-Widerstand
da: Bei 12V Signal- und 5V Versorungsspannung fließen maximal etwa
(12V-5V)/100kΩ=70µA durch die Diode, was diese gut aushalten sollte.

Leider stehen in den wenigsten Datenblättern Angaben über die Existenz
und die Belastbarkeit dieser Dioden, so dass dieser Trick nur auf eigene
Gefahr anwendbar ist.

Beim MC14584B in deinem Link weiß man immerhin, dass er die Schutzdioden
eingebaut hat:

  "Double Diode Protection on All Inputs"

Wenn mit dem hier angegebenen Input Current der Diodenstrom gemeint ist,
ist die Schaltung mit dem Vorwiderstand sogar vollkommen datenblattkon-
form:

  "Iin, Iout Input or Output Current (DC or Transient), per Pin ± 10 mA"

Autor: IDontKnow (Gast)
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Aha super Antwort das hat weitergeholfen --> Danke

Autor: Klaus (Gast)
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Es gibt die speziellen Bausteine  MC14049 (= HEF4049)  und  MC14050 
(=HEF4050).
Das sind 6-fach Inverter bzw. Buffer (non-inverting).
Diese dürfen explizit 12 V am Eingang bekommen (bis 15 V), auch wenn 
ihre Versorgungsspannung nur (z.B.) 5 Volt ist.

Es sind allerdings keine explizit "Schmitt-Trigger" Varianten.


http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/MC14049B-D.PDF

http://www.nxp.com/documents/data_sheet/HEF4049B.pdf
http://www.nxp.com/documents/data_sheet/HEF4050B.pdf

Autor: Anja (Gast)
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Yalu X. schrieb:
> Prinzipiell ja, wenn man weiß was man tut.

Ich hatte mal einen erhöhten Stromverbrauch (ca 60uA) als Folge eines 
Stromes durch die Schutzdiode Richtung VDD bei einem CD4011 an der 
seriellen Schnittstelle (ebenfalls mit 100K Serienwiderstand). Gemerkt 
habe ich es dadurch daß die Knopfzellen immer so schnell leer waren. 
Nach Parallelschaltung einer 1N4148 zur internen Schutzdiode war der 
erhöhte Stromverbrauch verschwunden.

Gruß Anja

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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Anja schrieb:
> Yalu X. schrieb:
>> Prinzipiell ja, wenn man weiß was man tut.
>
> Ich hatte mal einen erhöhten Stromverbrauch (ca 60uA) als Folge eines
> Stromes durch die Schutzdiode Richtung VDD bei einem CD4011 an der
> seriellen Schnittstelle (ebenfalls mit 100K Serienwiderstand). Gemerkt
> habe ich es dadurch daß die Knopfzellen immer so schnell leer waren.
> Nach Parallelschaltung einer 1N4148 zur internen Schutzdiode war der
> erhöhte Stromverbrauch verschwunden.

das dürfte in diese Richtung gehen:
http://de.wikipedia.org/wiki/Latch-Up-Effekt
Der Eingangsstrom ist nicht durch die Belastbarkeit der Dioden sondern 
durch den o.a. Effekt begrenzt.

Jörg

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Jörg Rehrmann schrieb:
> das dürfte in diese Richtung gehen:
> http://de.wikipedia.org/wiki/Latch-Up-Effekt
> Der Eingangsstrom ist nicht durch die Belastbarkeit der Dioden sondern
> durch den o.a. Effekt begrenzt.

Müsste bei einem Latchup der Strom nicht größer als 60µA werden?

Irgendwie habe ich den Latchup am Eingang sowieso nie richtig
verstanden. Am Ausgang ist der Fall klar, da bildet das Mosfet-Pärchen
einen parasitären Thyristor. Aber wo ist der Thyristor am Eingang?
Bilden etwa die Schutzdioden einen? Aber wenn man die beiden Dioden als
Vierschichtdiode zusammenfasst, liegt diese doch gerade andersherum als
man es von einem Latchup-Thyristor erwarten würde.

Autor: Anja (Gast)
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Yalu X. schrieb:
> Müsste bei einem Latchup der Strom nicht größer als 60µA werden?

Klar. Bei normalen Strukturen braucht man allein zur Zündung des 
parasitären Thyristors mindestens 20 mA (meist noch mehr). Der dann 
fließende Strom ist oft so hoch daß der Spannungsregler in die 
Begrenzung geht.
Im gegensatz zu den 60uA die ich beobachtet habe geht der Latchup auch 
dann nicht mehr weg wenn die Ansteuerung (Überspannung) wieder entfernt 
wird.

Yalu X. schrieb:
> Aber wo ist der Thyristor am Eingang?
> Bilden etwa die Schutzdioden einen?

Nicht direkt: die Diode gegen VCC muß allerdings gegen das Substrat 
isoliert werden (durch eine weitere Sperrschicht).

Gruß Anja

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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Anja schrieb:

> Im gegensatz zu den 60uA die ich beobachtet habe geht der Latchup auch
> dann nicht mehr weg wenn die Ansteuerung (Überspannung) wieder entfernt
> wird.

Dann war das wohl kein Latch-Up. Ähnliche Phänomene kenne ich aber auch:
Ich habe es schon erlebt, dass eine überhöhte Eingangsspannung an einem 
Pin massive Fehlfunktionen an ganz anderer Stelle des Chips verursacht. 
Nach Wegfall der Überspannung funktioniert der Chip wieder einwandfrei. 
Das hängt wohl davon ab, wo der Strom im Substrat abfließt. Da 
Chip-Design nicht so mein Ding ist, kann ich aber auch nicht sagen, 
woran das nun liegt. Sehr beliebt ist auch die vollständige Fehlfunktion 
von Analog-Multiplexern, wenn an einem unbenutzten Analog-Eingang zuviel 
Spannung anliegt

Jörg

Autor: A. K. (prx)
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Latchup war das nicht, der ist viel markanter spürbar, aber neben dem 
Latchup-Effekt kann es durchaus auch andere schwächere Effekte geben, 
wenn die Schutzdioden leiten. Hintergrund sind parasitäre Strukturen auf 
dem Chip, die sich in ICs schlecht vermeiden lassen und die man in der 
IC-Dokumentation und in der einfachen Darstellung von CMOS Gattern nicht 
zu sehen kriegt.

Für die NXP 74HC Serie ist beispielsweise dokumentiert, dass Strom, der 
so in einen Pin reinfliesst, zu einem Nachbarpin teilweise wieder 
rauskommen kann. Bei hochohmigem Anschluss ungut,

Wenn das bei anderen ICs nicht dokumentiert ist, dass heisst das nicht 
etwa, dass sowas dort nicht auftritt, sondern nur, dass der Hersteller 
den Betrieb ausserhalb der Spezifikation nicht dokumentiert hat.

Die Schutzdioden sind Schutz Dioden. Sie sind ausdrücklich nicht dazu 
vorgesehen, als Teil des Normalbetriebs zu leiten, dieser 
Betriebsbereich ist stets ausserhalb der Spezifikation des ICs (absolute 
maximums). Tun sie es dennoch, darf man sich über Nebeneffekte nicht 
beschweren.

Autor: A. K. (prx)
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Yalu X. schrieb:

> Irgendwie habe ich den Latchup am Eingang sowieso nie richtig
> verstanden. Am Ausgang ist der Fall klar, da bildet das Mosfet-Pärchen
> einen parasitären Thyristor. Aber wo ist der Thyristor am Eingang?

Link #2 von Tante Gugel liefert bereits eine Innendarstellung, die 
anders als sonst oft auch die Schutzdioden mit einbezieht. Demnach 
hängen die Schutzdioden parallel zur parasitären Drain-Diode und bilden 
so weitere Emitter des dir schon bekannten Thyristors am Ausgang.
http://focus.ti.com/lit/an/slya014a/slya014a.pdf

Autor: Anja (Gast)
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A. K. schrieb:
> Sie sind ausdrücklich nicht dazu
> vorgesehen, als Teil des Normalbetriebs zu leiten,

Sorry wenn ich widerspreche: Bei Prozessoren die ausdrücklich für den 
Automotive-Einsatz designed wurden sind meist die Eingänge (ADC, DIO) 
für bestimmte Leckströme definiert. (Die Steuergerätekosten wären sonst 
zu hoch). Meist gibt es jedoch entsprechende Einschränkungen (Verlust an 
ADC-Genauigkeit auf benachbarten Kanälen oder am selben Port) usw.

Gruß Anja

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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A. K. schrieb:
> Link #2 von Tante Gugel liefert bereits eine Innendarstellung, die
> anders als sonst oft auch die Schutzdioden mit einbezieht.

Sehr guter Artikel, viel Dank für den Link!

Ich wusste nicht, dass die Schutzdioden derart eng mit den Eingangs-
Mosfets verzahnt sind. Aber so wird natürlich einiges klarer. In den
anderen Artikeln, die ich gelesen habe (u.a. von AD), wurde zwar der
Eingangs-Latchup als Folge von Über- oder Unterspannungen um mehr als
eine Diodenspannung genannt, nicht aber der genaue Zusammenhang mit den
Schutzdioden erläutert.

Folgendes könnte vielleicht das von Anja beschriebene Problem mit dem
um 60µA erhöhten Stromverbrauch erklären:

  "In some cases, the thyristor has a very high resistance. The high
  forward resistance limits the current to values below the holding
  current of this thyristor. In this case, the supply current increases.
  The supply current sinks to normal values when the trigger current at
  the gate of the thyristor (as a result of an overvoltage at the input
  or output of the integrated circuit) is switched off."

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