CMOS器件输入管脚不能悬空？硬件调试踩坑记录

前言

最近在调试一块板卡时，发现了一个奇怪的问题，一款反相器——CD4049出现异常发热现象。虽然板卡已经做过温箱老化试验了，即在60度恒温条件下最大功率运行24小时，运行还算正常。但是一次偶然的机会，使用热成像仪测量板卡上的发热点时，发现这颗CD4049芯片温度会达到60度，虽然也在工作温度范围，但是还是感觉不太正常。一顿操作猛如虎，抄起烙铁就是干，把芯片拆下来，只连接电源和地引脚，输入输出悬空，再测温度，还是60度。这是为何？

问题现象

CD4049仅仅连接电源和地管脚，或部分未使用到的输入管脚悬空，上电，会出现温度过高现象，但如果使用手指或者示波器探头碰一下某一个输入管脚，芯片的温度又会很快掉下来。

芯片管脚

问题分析

实际上很多问题，都是没有仔细阅读DataSheet造成的，我们来看一下CD4049的Datasheet，由于这款芯片非常常用，所以各个半导体厂家都有这款产品，我使用的是TI公司的。CD4049是一片CMOS 6输入反向缓冲器芯片，单路电源供电，供电范围-0.5~20v，工作温度范围-55~125。

Datasheet下载：

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

管脚定义，芯片内部有6个反相器，单电源供电，13和16脚没有连接。

管脚定义

内部原理图，可以看到是由两个MOS管构成的反向器，输入端的两个箝位二极管可以把过高的输入电压箝位二极管在CMOS的输入电压值，输入端还加了限流电阻：

内部原理

典型应用电路，重点！可以看到，所有未使用到的输入管脚都直接连接到了地上，而我们实际应用电路中输入管脚是悬空状态，我好像已经找到了问题所在。

应用电路

问题解决

根据官方典型应用电路，把其他未使用到的输入管脚飞线连接到地上，上电，再使用测温仪观察工作温度，一点也不热，问题解决！好了，不说了，又要重新打样！

知识拓展

从这次问题排查来看，其实就是两个原因造成的：

• 没有仔细阅读芯片的DataSheet

• 不知道CMOS器件输入管脚不能悬空的电路知识

查阅了一些资料，了解到以下几点知识：

• CMOS器件是电压控制器件，输入阻抗很大，对干扰信号的捕捉能力很强，所以，不用的管脚不能悬空，要接上拉或下拉电阻，给它一个恒定的电平。悬空时输入阻抗高，易受外界噪声干扰，使电路产生误动作，而且也极易造成栅极感应静电而击穿。

• 在电路设计中，使CMOS器件的输入端悬空是一种不良的设计习惯，因为CMOS器件是电压控制，而未被连接的输入端有靠近CMOS门槛电压输入的趋势，使得芯片内部的三极管作不必要的开关动作，这既增加了噪声干扰，又耗费了系统的功率。

• CMOS器件内部的2个二极管可以把电压钳位在CMOS器件输入电压值，这2个二极管是高速CMOS器件（74HC系列）静电保护措施的一部分。

• CMOS器件输入电流非常小，一般是uA级别。

所以，在电路设计时，器件未使用到的管脚处于悬空状态是一种非常不当的做法。既然知道了CMOS器件输入管脚不能悬空，那么TTL器件呢？

• TTL电路是电流控制器件，CMOS是电压控制器件。

• TTL器件速度快、功耗大，CMOS器件速度慢、功耗低。

• TTL门电路输入端悬空相当于输入高电平，可以看做是接了一个无穷大的电阻。

• TTL电路有集电极开路OC门，MOS管也有和集电极对应的漏极开路的OD门，它的输出就叫做开漏输出。

总结

由于日常工作比较杂，偶尔也会和硬件工程师讨论硬件电路原理（chui chui niu bi），深知模拟电路的高深莫测。所谓只有0和1的数字器件，在某种意义上也可以认为是模拟器件的两个极端。所以对于我遇到的这个电路问题的分析和解决，可能没有代表性，但是如果你遇到了和我类似的问题，不妨试试这种方法吧！