TECHNOLOGIE DES CIRCUITS INTEGRES TTL - CMOS 1.1 Définition de circuit intégré : ▪ Un circuit intégré désigne un bloc constitué par un monocristal de silicium ( Puce ) de quelques millimètres carrés à l’intérieur duquel se trouve inscrit en nombre variable des composants électroniques élémentaires ( Transistors, diodes, résistances, condensateurs, ... ). 1.2 Définition de classes d’intégration : Dans l’ordre chronologique, on distingue 4 classe d’intégration : * Les microcircuits SSI ( Single Size Intégration ) : 100 transistors par cm2. * Les circuits intégrés MSI ( Médium Size Intégration ) : 1000 transistors par cm2. * Les circuits LSI ( Large Size Intégration ) : 10000 à 100000 transistors par cm2. * Les circuits VLSI ( Very Large Size Intégration ) : 0.1 à 1 million transistors 2 par cm . M HISETTE 1 1.3 Notion de niveaux logiques : Pour une famille donnée, les niveaux logiques « 0 » et « 1 » ne correspondent pas à une tension précise, mais à une certaine « plage » de tension. On appellera pour les valeurs de tension en entrée ( Input ): * VIHmin : Tension minimale en entrée qui assure le niveau logique haut. * VILmax : Tension maximale en entrée qui assure le niveau logique bas. Vcc 1 VIHmin Caractéristique d’entrée ( Etat indéfini ) VILmax 0 On appellera pour les valeurs de tension en sortie ( Output ): * VOHmin : Tension minimale de sortie à l’état logique haut. * V0Lmax : Tension maximale de sortie à l’état logique bas. Vcc 1 Caractéristique de sortie VOHmin ( Etat indéfini ) VOLmax 0 0 1.4 Compatibilité des niveaux logiques. Vcc VOHmin VOHmin - VIHmin 1 1 ( Etat indéfini ) VOLmax 0 0 Niveaux de sortie circuit 1 * * VILmax - VOLmax Vcc VIHmin ( Etat indéfini ) 0 VILmax 0 Niveaux d’entrée circuit 2 Compatibilité au niveau haut : Il faut que VOHmin > VIHmin Compatibilité au niveau bas : Il faut que VILmax > VOlmax M HISETTE 2 1.5 Temps moyen de propagation. Lorsqu’on applique à l’entrée d’un circuit un niveau logique, il y a un certain retard pour que la sortie réagisse. Cette durée est le temps moyen de propagation tPD. S tPHL tPLH Sortie Entrée 50% * * t tPHL: Temps de propagation du niveau haut au niveau bas. tPLH: Temps de propagation du niveau bas au niveau haut. tPD = (tPHL + tPLH ) / 2 Remarque : Ce temps détermine la fréquence maximale FMAX à laquelle les circuits intégrés sont capables de réagir. 1.6 Facteur de charge : Sortance N. Ce paramètre caractérise le nombre N maximal d’entrées de portes logiques pouvant être commandées par la sortie d’un autre opérateur logique de la même famille. X IO II II II * * X X X IOH : Courant de sortie maximal à l’état haut IOL : Courant de sortie maximal à l’état bas IIH : Courant d’entrée maximal à l’état haut IIL : Courant d’entrée maximal à l’état bas Sortance N ( A l’état haut ) = IOH / IIH Sortance N ( A l’état bas ) = IOL / IIL Remarque : La documentation constructeur fournie les données suivantes : IOH, IIH, IOL, IIL. 1.7 Notion de familles de circuits logiques : Il existe plusieurs familles de circuits technologiques. Les 2 plus utilisées sont : * TTL ( Transistors Transistors Logic ) * CMOS (transistors à effet de champ MOS - Complémentaire - Métal - Oxyde - Semiconducteur - ) M HISETTE 3 PORTES LOGIQUES TTL Transistor Transistor Logique Fiche de référence N°7 Niveaux Logiques d ’une porte logique TTL (LS) Plusieurs technologies : SORTIE TTL standard (n ’est plus utilisée) TTL Low Power TTL Schottky (Rapide) TTL Low Power Schottky TTL Advanced Schottky TTL Advanced Low Power Schottky 74 00 74 L 00 74 S 00 74 LS 00 74 AS 00 74 ALS00 V V O5 V VCC 5I V VCC Niveau ‘ 1 ’ Niveau ‘ 1 ’ VOH mini 2,7 V VIH mini Niveau indéterminé Caractéristiques de fonctionnement : Gamme d’alimentation : 5 V ENTREE 2V Niveau indéterminé VIL maxi VOL maxi 0,5 V Niveau ‘ 0 ’ +/- 5%. 0,7 V Niveau ‘ 0 ’ 0V 0V Gamme de température : de 0 °C à + 70 °C. Sortie à collecteur ouvert (Open collector output) Puissance dissipée : environ 2 mW par porte (série LS). Fréquence de fonctionnement : jusqu’à 3 MHz. Sortance : jusqu’à 20 (série LS). (Nombre d’entrées que l’on peut relier à une sortie de porte) On sort directement sur le collecteur du transistor de sortie. Obligation de connecter une résistance R de tirage au +5 V. Pour un calcul rigoureux de R, se reporter à la page 43 du Memotech V To O Symbole V La sortie est équivalente à un interrupteur. O Faible immunité aux bruits. Caractéristique d ’Entrée/Sortie d’un inverseur Sortie 3 états (3-state output) V VOCC +5V VOH V I & T1 V VIL VIH VCC V V Dans une porte classique, l ’un des 2 transistors T1 ou T2 du totem pôle est conducteur. Dans une porte 3 états, il est possible de bloquer simultanément les 2 transistors T1 et T2 par l ’entrée de validation EN (EN = 0). On dispose alors de 3 états en sortie: O O T2 VOL 0 74 LS 00 Symbole EN 1 1 0 T1 Passant Bloqué Bloqué T2 Bloqué Passant Bloqué Etat Haut Bas Haute impédance (Sortie ‘ en l ’air ’). I M HISETTE 4 Fiche de référence PORTES LOGIQUES CMOS Modélisation de l’entrée et de la sortie d’une porte logique CMOS Plusieurs technologies : SORTIE Série 4000 : 40 00 B (sorties bufférisées : amplifiées) 40 00 UB (sorties non-bufférisées) Rs Série 74 : 74 C 00 (identique à la série 4000) 74 HC 00 (High-speed CMOS : CMOS rapides) ENTREE IIN IOH CG VDD VOH RG VIH Caractéristiques de fonctionnement : Gamme d’alimentation : de 3 V à 15 V. Etat logique ‘ 1 ’ Etat logique ‘ 1 ’ Gamme de température : de – 40 °C à + 85 °C. Puissance dissipée : environ 10 nW par porte. IIN IOL Fréquence de fonctionnement : jusqu’à 12 MHz. Sortance : CG RS jusqu’à 50 (série 4000B). VOL VIL RG (Nombre d’entrées que l’on peut relier à une sortie de porte) Excellente immunité aux bruits. Caractéristique d ’Entrée/Sortie d’un inverseur Etat logique ‘ 0 ’ Etat logique ‘ 0 ’ V O V VDD 0 1 I VDD / 2 VDD V I M HISETTE V O GRANDEURS CARACTERISTIQUES : RS = environ 300 RG = plusieurs M CG = environ 50 pF VOH : VOL : VIH : VIL : IOH : IOL : IIN : Tension de sortie à l ’état haut. Tension de sortie à l ’état bas. Tension d ’entrée à l ’état haut. Tension d ’entrée à l ’état bas. Courant de sortie à l ’état haut. Courant de sortie à l ’état bas. Courant d ’entrée. 5