Transcript
  • Technologie.doc Auteur : B HANNEQUIN Page 1 sur 14

    Dure approximative de l'tude :

    1 heure 30 : chapitre 1 et 2 1 heure 30 : chapitre 3, 4 et 5 1 heure 30 : chapitre 6 et 7

    COURS technologie.doc

    TGEL

    TECHNOLOGIE DES CIRCUITS NUMERIQUES 25/06/01 BUT ET OBJECTIFS :

    tre capable de lire une fiche technique de circuit logique et en retirer les informations de tensions, courants et rapidit permettant lutilisation de ces circuits et d'tudier leurs compatibilits.

    tre capable de comparer les diffrentes familles de circuits logiques. PRE-REQUIS :

    Logique de base : quation boolenne, Comptage etc. Codage binaire, hexadcimal, dcimal. Transistor bipolaire en commutation. Transistor MOS en commutation.

    AVERTISSEMENT : Du fait de l'volution rapide de l'lectronique numrique moderne - place de plus en plus importante de la

    logique programme, circuit aliment en basse tension ( 3 V voir moins ) - on s'attachera plus particulirement tudier plus attentivement les chapitres 1, 2 et 6 en s'attachant plus particulirement au mode opratoire plus qu'aux valeurs numriques trouves. Ceux-ci constituants le socle commun permettant l'tude de toutes les technologies prsentes et futures.

    1.) Gnrallits, caractristiques principales.___________________________________ 2 1.1.) Convention, vocabulaire. __________________________________________________ 2

    1.2.) Fonction de transfert ( porte inverseuse ) ____________________________________ 2

    1.3.) Marge de bruit ( appele aussi : Immunit au bruit ). __________________________ 3

    1.4.) Famille, srie marquage. __________________________________________________ 3

    2.) Type de sortie._________________________________________________________ 4 2.1.) Sortie Totem pole ____________________________________________________ 4

    2.2.) Sortie trois tats. ( ou hautes impdance ou tri states ). _________________________ 4

    2.3.) Sortie collecteur ( ou drain ) ouvert._________________________________________ 5

    3.) famille TTL ( Transistor, Transistor, Logique ) ______________________________ 6 3.1.) gnralits ______________________________________________________________ 6

    3.2.) tude de fiches techniques, utilisation. _______________________________________ 7

    4.) famille CMOS ( Comlmentary Metal Oxyde Silicium ) _______________________ 8 5.) famille HC MOS (Hight speed Metal Oxyde Silicium )________________________ 8 6.) Comptabilit.__________________________________________________________ 9 7.) synthse, comparaison des difffrents familles. _____________________________ 10 8.) fiche technique 54LS00 ________________________________________________ 11 9.) fiche technique 74HC00________________________________________________ 12 10.) fiche technique CD4011_______________________________________________ 13

  • Technologie.doc Auteur : B HANNEQUIN Page 2 sur 14

    1 ) GENERALLITES, CARACTERISTIQUES PRINCIPALES.

    1.1.) CONVENTION, VOCABULAIRE. VOH : Tension de sortie garantie ltat haut ( si les contraintes de courant dbit sont respectes ). VOL : Tension de sortie garantie ltat bas ( si les contraintes de courant dbit sont respectes ). VIH : Tension dentre minimale pour que lentre soit garantie ltat haut. VIL : Tension dentre maximale pour que lentre soit garantie ltat bas. I OH : Courant de sortie maximal ltat haut. I OL : Courant de sortie maximal ltat bas. I IH : Courant dentre maximal ltat haut. I IL : Courant dentre maximal ltat bas. VCC ou VDD : Tension dalimentation positive. VSS : Masse ou 0 V. ICC ou IDD : Courant dalimentation ( dbit par Vcc ) au repos. tPHL : Temps de propagation du niveau haut vers le niveau bas. tPLH : Temps de propagation du niveau bas vers le niveau haut.

    Entre

    Sortie tPLH tPHL

    0 Par convention tous les courants entrant sont compts positif. Un courant sortant est donc ngatif.

    AVERTISSEMENT :

    Les valeurs numriques cites dans le cours ne sont prendre que comme des ordres de grandeur. Celles-ci peuvent lgrement varier pour une mme technologie suivant la fonction ou le fabriquant du circuit.

    1.2.) FONCTION DE TRANSFERT ( PORTE INVERSEUSE )

    VOUT

    VCC

    VIN 1 VOUT VOH

    VIN VIL VIH Vcc VIN

    Cette courbe nest bien videmment valable que dans le cas dune utilisation normale, notamment vis vis

    de IOL MAX et IOH MAX. Ce graphique est bien videmment valable pour tous types d'entres. Que se soit d'une porte simple

    (comme ici) ou l'entre d'un circuit plus complexe. Il faudra seulement prendre garde si il s'agit d'une porte inverseuse ( comme ici ) ou non inverseuse.

  • Technologie.doc Auteur : B HANNEQUIN Page 3 sur 14

    Comment lire la courbe ? : Le constructeur garantit que :

    Pour une tension dentre infrieure VIL le niveau de sortie sera au moins de VOH.

    Pour une tension dentre suprieure VIH le niveau de sortie sera au plus de VOL.

    Bien videmment entre VIL et VIH rien nest garanti. Il sagit donc dune zone viter.

    1.3.) MARGE DE BRUIT ( APPELEE AUSSI : IMMUNITE AU BRUIT ). Cest lamplitude minimum du signal entrant qui provoque accidentellement un changement dtat. Cest en quelque sorte lamplitude de plus gros parasite admissible en entre. Deux cas peuvent tre envisags : au niveau haut et au niveau bas.

    1 1

    Vcc VOH Marge haute

    VIH

    VIL Marge basse VOL 0V

    La tension ne peut videmment tre suprieure lalimentation ou infrieure la masse. La marge de bruit sera donc calcule par :

    VOH mini - VIH MAX Ou VIL mini VOL MAX

    La marge de bruit sera la plus petite valeur trouve, exprime en pourcentage par rapport la tension

    dalimentation.

    1.4.) FAMILLE, SERIE MARQUAGE. La famille repose sur la technologie utilise, soit bipolaire, soit MOS. La srie correspond lappellation commerciale du circuit, notamment le brochage. Exemple de marquage :

    SN 74 LS XX N Code fabriquant ( ici Texas ) Type de botier ( ici DIP) Srie ( 74 pour la gamme de temprature Fonction ( ex : les protes NAND

    2 entres seront codes 00 ) Famille

    Commerciale ou 54 pour la gamme de temprature tendue)

  • Technologie.doc Auteur : B HANNEQUIN Page 4 sur 14

    MC1 4 XX N Code fabriquant ( ici Motorola ) Type de botier

    Srie 4000 Fonction

    EX : Le HEF 4011 correspond une quadruple porte NAND 2 entres. Nous allons dfinir et exploiter les diffrentes sries et familles dans la suite du cours aux chapitres 3 et 4.

    2.) TYPE DE SORTIE.

    2.1.) SORTIE TOTEM POLE + VCC

    Cest la sortie classique reprsente ci-contre. T1

    Les transistors peuvent tre bipolaires ( comme ici ) ou de type MOS ( dans ce cas sans la diode ) . Sortie On voit dans ce type de sortie que pour avoir un niveau T2 bas il faut saturer T2. Dans ce cas VS = VCE SAT T2 = VOL Pour avoir un niveau logique haut il faut saturer T1. Dans ce cas VS = VCC VD - VCE SAT T1 = VOH Bien videmment le niveau de sortie sera soit 1 ( VOH ) soit 0 ( VOL ). Il est par consquent rigoureusement

    interdit de relier des sorties ensemble.

    2.2.) SORTIE TROIS ETATS. ( OU HAUTES IMPEDANCE OU TRI STATES ). Symbole : Cest la mme que la prcdente, sauf que T1 et T2 peuvent tre bloqus en mme temps. Il est pour cela

    prvu une entre de validation ( EN = Enable = Validation ). Lexemple ci-contre reprsente une porte OUI A EN ( Buffer ) avec une commande trois tats. S

    B

    Remarquez Le symbole qui indique que la sortie est en logique trois tats, cest dire VOL, VOH, ou non

    connecte ( 0, 1, ou haute impdance ) Lentre de commande EN ( Enable = validation ) VA VB VS HI HI HI

    1

  • Technologie.doc Auteur : B HANNEQUIN Page 5 sur 14

    Note : Dans une table de vrit ou un chronogramme, ltat haute impdance est not Hi (Hight impedance) ou Z. Ltat haute impdance correspondant une sortie en lair, il est possible de relier plusieurs sorties ensemble condition quune seule soit active un instant donn. A

    Select B 1

    Dans lexemple ci-dessus, les informations arrivant en A seront transmises en S si select est 1. Ce sera celles arrivant en B si select est 0. La sortie de la porte non utilise sera bien sr en haute impdance.

    2.3.) SORTIE COLLECTEUR ( OU DRAIN ) OUVERT. Symbole : S La sortie ne comporte quun transistor. T2 Seul ltat logique bas est assur. Ltat logique haut devra tre assur extrieurement par une rsistance de tirage au + VCC. Il est possible avec ce type de sortie de :

    Relier plusieurs sorties ensemble ( ne pas oublier de placer une rsistance de tirage commune ) Commander une charge ayant une alimentation diffrente de celle du circuit (jusqu 30 V)

    suivant la fiche technique du circuit utilis. 15V

    A S

    Le circuit intgr est aliment en 5 V. La sortie S sera ou 0 ( VOL ) ou 1 via la rsistance

    de tirage R

    1

    EN

    1

    EN

    S

    1

    1

    1

    R

    B

    C

  • Technologie.doc Auteur : B HANNEQUIN Page 6 sur 14

    Remarquez le symbole prs de la sortie indiquant le type collecteur ( ou drain ) ouvert.

    A

    5V.

    B 5V. C

    S 15V. VOL

    On vient de raliser la fonction logique OU. Cette structure sappelle OU cbl. Un ET cbl peut tre ralis en utilisant des portes inverseuses. Remarque : Il existe des variantes au collecteur ouvert . Lmetteur ouvert ou seul le transistor suprieur existe. Seul le niveau haut est donc assur . La

    rsistance de tirage devant tre la masse ( ou une tension ngative ). Le collecteur ouvert avec rsistance de tirage intgre Lmetteur ouvert avec rsistance de tirage intgre

    3.) FAMILLE TTL ( TRANSISTOR, TRANSISTOR, LOGIQUE )

    3.1.) GENERALITES Constitue de transistors bipolaires elle dbut vers 1965 par la srie 74 XX, lente et grosse

    consommatrice dnergie. Bien quelle ne soit plus utilise depuis longtemps, elle sert toujours de rfrence pour comparer les autres.

    Actuellement il existe : 74LSXX Low power Schottky . Basse consommation rapide. Cest la famille la plus utilise

    actuellement. 74FXX Fast ( rapide ).

  • Technologie.doc Auteur : B HANNEQUIN Page 7 sur 14

    3.2.) ETUDE DE FICHES TECHNIQUES, UTILISATION. Ltude portera pour la famille 74 LS, sachant que la mme tude pourra tre mene pour les autres

    familles. Nota : Pour une mme famille, les caractristiques peuvent lgrement varier suivant le fabriquant. Ltude de la fiche technique montre Alimentation entre 4,5 et 5 V. Marge de bruit haute : VOH VIH = 2,7 2 = 0,7V Marge de bruit basse : VIL VOL = 0,8 0,4 = 0,4V La marge de bruit sera donc de 0.4 V. Soit une immunit de seulement 8 %. On remarque galement le courant dentre sortant ltat bas .

    Faisons le calcul des rsistances de tirage maximum utilisable. + VCC La tension aux bornes de la rsistance ne peut tre suprieure VIL sinon la porte peut considrer son entre continuellement au niveau haut. ICC 1 R

    R < IL

    IL

    IV

    = 36.08.0

    . 103 = 2,2 K

    Bien videmment si n entres sont connectes sur la rsistance, le courant sera multipli par n. La rsistance maximum sera donc n fois plus petite.

    Il nest pas souhaitable de connecter trop ( plus de 3 ) entres la mme rsistance de tirage la masse pour cette technologie, en effet dans ce cas la rsistance maximum risque dtre trop faible et entraner une consommation de courant excessive lorsque linterrupteur est ferm. A ltat haut : + VCC La tension aux bornes de la rsistance ne peut tre suprieure VCC VIH sinon la porte peut considrer IIH son entre continuellement au niveau bas. 1

    R < IH

    IHCC

    IVV

    = 610.2025

    = 150 K

    Mme remarque que prcdemment si n entres sont connectes.

  • Technologie.doc Auteur : B HANNEQUIN Page 8 sur 14

    4.) FAMILLE CMOS ( COMLEMENTARY METAL OXYD SILICIUM ) Srie 4XXX Cette famille est apparue dans les annes 70 avec les transistors MOS. Elle tant de plus en plus cder la

    place d'autre technologie plus performantes ( HC MOS, AC etc...) Ltude de la fiche technique montre avec une alimentation en 4,5 V. Alimentation 3 15 V. Marge de bruit haute : VOH - VIH = 4,4 3,15 = 1,25 V. Marge de bruit basse : VIL VOL = 1,35 0,1 = 1,25 V.

    Soit une marge de 1,25 V donc par rapport lalimentation, une immunit au bruit de 28 %. Calcul des rsistances de tirage. Le mme calcul que pour la technologie prcdente donne :

    R < IL

    IL

    IV

    = 610.1.035.1

    = 13,5 M Pour une rsistance de tirage ltat bas

    R < IH

    IHCC

    IVV

    = 610.1.015.35.4

    = 13.5 M

    Pour une rsistance de tirage ltat haut. De telles valeurs sont pour des problmes dimmunit aux parasites, viter. (un parasite de 1A donnera

    13.5 V ! ! ! ) Dans la pratique on se limitera 470 K.

    100 K tant la valeur la plus utilise en CMOS.

    5.) FAMILLE HC MOS (HIGHT SPEED METAL OXYD SILICIUM ) Srie HCXX Alimentation de 2V 6 V. Avec une alimentation en 4,5 V, ltude de la fiche technique montre :

    Marge de bruit haute VOH VIH = 4,4 3,15 = 1,25 V. Marge de bruit basse VIL VOL = 1,35 0,1 = 1,25 V.

    Soit une immunit au bruit de 28 % par rapport lalimentation. La calcul des rsistances de tirage donnera en pratique sensiblement les mmes valeurs que pour la

    technologie CMOS de la srie 4 XXX.

    Nota : La sous famille HCT est en tout points comparable la famille HC pour la consommation et la rapidit, mais pas pour les niveaux de tension qui sont compatibles TTL.

  • Technologie.doc Auteur : B HANNEQUIN Page 9 sur 14

    6.) COMPTABILITE. Le problme peut se poser dans le cas o on veut mlanger plusieurs technologies dans un mme montage. 1 2 La question est de savoir si la porte N1 peut commander la porte N2. Pour cela nous devons avoir : VOH porte 1 > VIH Porte 2 VOL porte 1 < VIL Porte 2 CMOS, HC vers TTL. La zone hachure correspond une plage de fonctionnement non garantie. VCC VOHmini 4.9 V. VIH mini

    2 V. VOL MAX VIL MAX

    0.1 V. 0.8 V.

    0V Dans ce cas il y a compatibilit pour peu que les alimentations soient de 5 V pour tre acceptes par

    trous les circuits. TTL vers CMOS au HC. VCC

    VIH mini

    VOL mini 3,5 v. 2,7 v.

    VIL MA 1,5 V.

    VOL MAX 0,4 V.

  • Technologie.doc Auteur : B HANNEQUIN Page 10 sur 14

    La compatibilit nest pas assure au niveau haut. VOL TTL < VIH MOS Pour pallier ce problme, on peut utiliser :

    Une porte TTL sortie collecteur ouvert ( ). Ne pas oublier dans ce cas la rsistance de tirage ou +VCC .

    Un transistor en montage metteur commun.

    + VCC

    CMOS TTL

    Le transistor peut galement tre du type MOS. Un circuit appartenant la famille HCT.

    Les caractristiques de cette famille ( 74 HCT XX ) sont en tous points identiques son homologue HC sauf au niveau des tensions, qui ont t spcialement tudies pour tre compatibles TTL.

    7.) SYNTHESE, COMPARAISON DES DIFFFERENTS FAMILLES. On peut rsumer les principales caractristiques des trois familles tudies dans le tableau ci-dessous :

    Marge de bruit Rapidit Consommation Alimentation CMOS

    (Srie 4XXX ) Grande (28%)

    Lente Extrmement faible (nW)

    3 15 V.

    HC MOS (74 HC XX )

    Grande (28%)

    Rapide Trs faible (W)

    2 6 V.

    TTL (74 LS XX )

    Faible (8%)

    Rapide Importante (mW)

    5 V.

    Les quatre familles tudies ici ( 74 LSXX, 74 HCXX , 74HCTXX et 4XXX ) reprsentent environ 70 %

    du march des composant discrets. Nanmoins, lessor de llectronique moderne a favoris lapparition dautres familles.

    Citons par exemple parmi la technologie TTL : 74 ALSXX ( Advance Low power Schottky ) Deux fois plus rapide et trois fois moins gourmande en

    nergie que la srie 74 LSXX. 74 FXX ( Fast ) Trois fois plus rapide que la famille LS mais deux fois plus gourmande. Les progrs les plus significatifs sont pour les circuits MOS. 74 ACXX ( Advance CMOS ) Deux fois plus rapide que le HC MOS. 74 ABTXX. Lune des familles les plus rapide actuellement disponible et capable notamment de

    dlivrer dimportants courant de sortie. Citons galement quelques familles trs rapides fonctionnant en 3 V. ( Srie 74 LVTXX ou 74 LVQXX )

    voir 1,5 V. ( Srie 74 HLLXX ou 74 ALVCXX )

  • Technologie.doc Auteur : B HANNEQUIN Page 11 sur 14

    8.) FICHE TECHNIQUE 54LS00

  • Technologie.doc Auteur : B HANNEQUIN Page 12 sur 14

    9.) FICHE TECHNIQUE 74HC00

  • Technologie.doc Auteur : B HANNEQUIN Page 13 sur 14

    10.) FICHE TECHNIQUE CD4011

  • Technologie.doc Auteur : B HANNEQUIN Page 14 sur 14