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(gè)二極管。

D1在大多數(shù)CMOS集成電路中起著防靜電功能，同時(shí)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(dǎo)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(jìn)行限幅，提供一些放電保護(hù)功能。

D3用于保護(hù)CMOS電路在放電時(shí)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(gè)肖特基二極管對線路反射的下沖信號進(jìn)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(dāng)使用CMOS型器件作為接口芯片時(shí)，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(gè)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)是前級輸出高電平時(shí)，G1通過D1獲得電壓并輸出高電平給后級電路。同時(shí)降低了G1的供電電壓，使其在正常使用時(shí)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(hù)二極管D1存在，故不存在灌流通路。需要注意的是這時(shí)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(dāng)高電平對待）。

編輯：hfy