CMOS器件輸入管腳不能懸空？硬件調(diào)試踩坑記錄

前言

最近在調(diào)試一塊板卡時，發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的問題，一款反相器——CD4049出現(xiàn)異常發(fā)熱現(xiàn)象。雖然板卡已經(jīng)做過溫箱老化試驗(yàn)了，即在60度恒溫條件下最大功率運(yùn)行24小時，運(yùn)行還算正常。但是一次偶然的機(jī)會，使用熱成像儀測量板卡上的發(fā)熱點(diǎn)時，發(fā)現(xiàn)這顆CD4049芯片溫度會達(dá)到60度，雖然也在工作溫度范圍，但是還是感覺不太正常。一頓操作猛如虎，抄起烙鐵就是干，把芯片拆下來，只連接電源和地引腳，輸入輸出懸空，再測溫度，還是60度。這是為何？

問題現(xiàn)象

CD4049僅僅連接電源和地管腳，或部分未使用到的輸入管腳懸空，上電，會出現(xiàn)溫度過高現(xiàn)象，但如果使用手指或者示波器探頭碰一下某一個輸入管腳，芯片的溫度又會很快掉下來。

問題分析

實(shí)際上很多問題，都是沒有仔細(xì)閱讀DataSheet造成的，我們來看一下CD4049的Datasheet，由于這款芯片非常常用，所以各個半導(dǎo)體廠家都有這款產(chǎn)品，我使用的是TI公司的。CD4049是一片CMOS 6輸入反向緩沖器芯片，單路電源供電，供電范圍-0.5~20v，工作溫度范圍-55~125。

Datasheet下載：

https://wcc-blog.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/img/200823/CD4049.pdf

管腳定義，芯片內(nèi)部有6個反相器，單電源供電，13和16腳沒有連接。

內(nèi)部原理圖，可以看到是由兩個MOS管構(gòu)成的反向器，輸入端的兩個箝位二極管可以把過高的輸入電壓箝位二極管在CMOS的輸入電壓值，輸入端還加了限流電阻：

典型應(yīng)用電路，重點(diǎn)！可以看到，所有未使用到的輸入管腳都直接連接到了地上，而我們實(shí)際應(yīng)用電路中輸入管腳是懸空狀態(tài)，我好像已經(jīng)找到了問題所在。

問題解決

根據(jù)官方典型應(yīng)用電路，把其他未使用到的輸入管腳飛線連接到地上，上電，再使用測溫儀觀察工作溫度，一點(diǎn)也不熱，問題解決！好了，不說了，又要重新打樣！

知識拓展

從這次問題排查來看，其實(shí)就是兩個原因造成的：

• 沒有仔細(xì)閱讀芯片的DataSheet

• 不知道CMOS器件輸入管腳不能懸空的電路知識

查閱了一些資料，了解到以下幾點(diǎn)知識：

• CMOS器件是電壓控制器件，輸入阻抗很大，對干擾信號的捕捉能力很強(qiáng)，所以，不用的管腳不能懸空，要接上拉或下拉電阻，給它一個恒定的電平。懸空時輸入阻抗高，易受外界噪聲干擾，使電路產(chǎn)生誤動作，而且也極易造成柵極感應(yīng)靜電而擊穿。

• 在電路設(shè)計(jì)中，使CMOS器件的輸入端懸空是一種不良的設(shè)計(jì)習(xí)慣，因?yàn)镃MOS器件是電壓控制，而未被連接的輸入端有靠近CMOS門檻電壓輸入的趨勢，使得芯片內(nèi)部的三極管作不必要的開關(guān)動作，這既增加了噪聲干擾，又耗費(fèi)了系統(tǒng)的功率。

• CMOS器件內(nèi)部的2個二極管可以把電壓鉗位在CMOS器件輸入電壓值，這2個二極管是高速CMOS器件（74HC系列）靜電保護(hù)措施的一部分。

• CMOS器件輸入電流非常小，一般是uA級別。

所以，在電路設(shè)計(jì)時，器件未使用到的管腳處于懸空狀態(tài)是一種非常不當(dāng)?shù)淖龇?。既然知道了CMOS器件輸入管腳不能懸空，那么TTL器件呢？

• TTL電路是電流控制器件，CMOS是電壓控制器件。

• TTL器件速度快、功耗大，CMOS器件速度慢、功耗低。

• TTL門電路輸入端懸空相當(dāng)于輸入高電平，可以看做是接了一個無窮大的電阻。

• TTL電路有集電極開路OC門，MOS管也有和集電極對應(yīng)的漏極開路的OD門，它的輸出就叫做開漏輸出。

總結(jié)

由于日常工作比較雜，偶爾也會和硬件工程師討論硬件電路原理（chui chui niu bi），深知模擬電路的高深莫測。所謂只有0和1的數(shù)字器件，在某種意義上也可以認(rèn)為是模擬器件的兩個極端。所以對于我遇到的這個電路問題的分析和解決，可能沒有代表性，但是如果你遇到了和我類似的問題，不妨試試這種方法吧！

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參考資料

• https://moore.live/news/119045/detail/

• http://huangbing775.blog.sohu.com/165789317.html