Caractéristiques générales des circuits intégrés Adrian Daerr [email protected] 2016 / 2017 Électronique numérique L3 EIDD 1A Introduction Important de connaı̂tre les caractéristiques des circuits Différences de comportement portes réelles ↔ portes idéales I I I Délai entre changement des entrées et mise à jour de la sortie (délai de propagation) Bruit dans un circuit électronique peut réduire la fiabilité Limites de puissance une sortie ne peut fournir de signal à plus de N entrées ∃ différentes familles de circuits ⇒ il faut choisir l’une à la conception I I Différents avantages et inconvénients (ex.: vitesse, consommation, . . .) Interfacer différentes familles est source de problèmes . . . Gammes différentes de tension d’alimentation Codage incompatible des niveaux logiques H / L (ex: intervalles de tensions différents) I . . .mais intéressant (ex: partie critique rapide et énergievore, périphérie plus lente et économe) Électronique 1 (cours 3) Introduction | Technologies | Spécifications 2 / 27 Introduction Exemple: conséquence du délai de propagation a a b c &1 z &2 Q H H b ... L ... H c Q L H H H Passage (a, b, c) = (H, H, H) à (H, L, L) : Chronographe a H L b H L c H L H z L H Q L Électronique 1 (cours 3) t t delai de propagation d’une porte t t t Introduction | Technologies | Spécifications Q ne devrait pas changer d’état ! 3 / 27 Introduction Exemple 2: effet d’un bruit électrique a F Signal bruité à l’entrée d’un inverseur: 1 0.75 niveau de bascule 0 ↔ 1 0.5 0.25 0 0 1 2 3 Électronique 1 (cours 3) 4 5 6 temps 7 8 9 10 Introduction | Technologies | Spécifications 4 / 27 Introduction Plan du cours Technologies principales et leurs caractéristiques Lire les données des fabricants leadsto paramètres importants d’un circuit intégré I I I I Seuils de dommages irréversibles Paramètres conseillés de fonctionnement Tolérances sur les entrées/sorties Comportement dynamique: temps de propagation Circuits d’entrée/sortie particuliers Électronique 1 (cours 3) Introduction | Technologies | Spécifications 5 / 27 Technologies Survol des technologies principales DTL (Diode-Transistor-Logic) V+ V+ R1 D1 A R2 Q Q R3 A B Q1 B D2 TTL (Transistor-Transistor-Logic) Vcc R4 GND V− ECL (Emitter-Coupled-Logic) Differential-amplifier input and logic section Internal temperature and voltage compensated bias network section (one supplies several differential amplifiers) Emitter-follower output section VCC2 0 V 220 Transistors bipolaires en mode saturé Vdd Vdd VCC1 0 V 907 245 CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) A B Q5 A+B Out Q6 ~(A+B) Q4 Q1 A Q2 Q3 B 50 k 50 k 779 A –1.29 V at 25°C 6.1 k VEE -5.2 V Électronique 1 (cours 3) 4.98 k MECL 10K series 2-input OR/NOR Transistors FET B Vss Introduction | Technologies | Spécifications 6 / 27 Technologies Transistors bipolaires vs transistors à effet de champ Bipoloar junction transistor ++ p n E iE iE iEn iEp Field Effect Transistor n+ iC electrons holes iB1 iB2 recombination Oxide Source Gate iC x n+ iB n+ p L B vBE Drain C vCB Body Amplification (100 à 1000 fois) du courant (ICE /IBE ). Utilisation en mode linéaire (ECL) ou saturé (TTL). Électronique 1 (cours 3) Base (gate) isolée du substrat ⇒ pas de courant continu Circuits et mémoires qui consomment très peu en statique Introduction | Technologies | Spécifications 7 / 27 Technologies Survol des technologies principales DTL (Diode-Transistor-Logic) , Rapidement éliminée en faveur du TTL (plus rapide) TTL (Transistor-Transistor-Logic) (Vcc = 5 V, H=5 V, L=0 V) Meilleur compromis vitesse / consommation avant l’apparition du CMOS ECL (Emitter-Coupled-Logic) Consommation importante, mais très rapide (encore utilisé en RF, communications rapides ∼ Gbit/s); maintenant variantes à FET (Source Coupled Logic) CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) (Vcc =3 V à 18 V, H=Vcc , L=0 V)Très basse consommation, initialement plus lente que le TTL, mais a fortement progressé; technologie actuellement dominante Électronique 1 (cours 3) Introduction | Technologies | Spécifications 8 / 27 Technologies puissance/porte (@1 MHz) / mW Comparaison de différentes technologies 100 1985 ECL III ECL 100K ECL TTL CMOS 74S 74H 10 1980 74 74AS 1975 74F 74ALS 1 74AC/ACT 1 Électronique 1 (cours 3) 74LS 4000B/74C 74HC/HCT 1970 74L 10 delai de propagation / ns Introduction | Technologies | Spécifications 100 1965 année 9 / 27 Spécifications Lire les spécifications des fabricants 1. Seuils de dommages irréversibles (anglais: “Absolute maximum ratings”) 2. Conditions d’opération normale (anglais: “Recommended operating conditions”) Exemple extrait d’une fiche 74AC(T)04 Alimenter le circuit en mauvaise polarité est fatal! Tensions sur toutes les entrées doivent rester dans l’intervalle [0 V, Vcc ] (dépassement de 0.5 V mort du circuit) Large gamme de tensions pour le CMOS (2 V à 6 V): parfait pour fonctionnement sur batterie. Gamme fortement réduite en compatibilité TTL (version ACT). Électronique 1 (cours 3) Introduction | Technologies | Spécifications 10 / 27 Spécifications Lire les spécifications des fabricants 3. Tolérances sur les niveaux d’entrées/sorties Caractéristiques statiques (anglais: “DC”: courant continu) Électronique 1 (cours 3) Introduction | Technologies | Spécifications 11 / 27 Spécifications Lire les spécifications des fabricants 3. Tolérances sur les niveaux d’entrées/sorties Les caractéristiques varient légèrement d’un composant au suivant (aléa de fabrication) la fiche indique une valeur typique, et une limite garantie pour tous les composants. Pour être interprêté comme 0 logique, la tension doit être comprise entre 0 V et 0.8 V. Pour un 1 logique, VIH > 2.0 V . En sortie, on est à moins de 0.1 V de saturation, sauf si le circuit branché sur la sortie fait couler un courant important: alors la tension baisse (H → 3.76 V) ou augmente (L → 0.44 V) (on reste néanmoins au bon niveau logique) Électronique 1 (cours 3) Introduction | Technologies | Spécifications 12 / 27 Spécifications Lire les spécifications des fabricants 3. Tolérances sur les niveaux d’entrées/sorties Que nous enseignent ces valeurs sur la Tolérance au bruit ? VO VI Dans des conditions extrèmes, la sortie d’un 74AC04 (Vcc = 4.5 V) vaut VO =3.76 V (H) ou 0.44 V (L). La porte suivante interprête VI ≥2.0 V comme 1(H) logique et ≤0.8 V comme 0(L). Tout va bien (sans bruit!). Quelle est la robustesse au bruit ? Pour le niveau H l’écart est de 1.76 V Pour le niveau L l’écart est de 0.36 V Un bruit supérieur à 0.36 V risque de produire de faux niveaux logiques. Un bruit supérieur à 1.56 V produira certainement un faux résultat (pourquoi ?). Électronique 1 (cours 3) Introduction | Technologies | Spécifications 13 / 27 Spécifications Lire les spécifications des fabricants 3. Tolérances sur les niveaux d’entrées/sorties Les mêmes caractéristiques statiques, mais pour la version CMOS Électronique 1 (cours 3) Introduction | Technologies | Spécifications 14 / 27 Spécifications Lire les spécifications des fabricants 3. Tolérances sur les niveaux d’entrées/sorties Seuils dépendent de la tension d’alimentation À même Vcc =5.5 V, seuils différents de la version TTL ! (comparer: VIH =2.0 V et VIL =0.8 V (ACT) à VIH =3.85 V et VIL =1.85 V (AC)) ⇒ Un circuit CMOS peut interprêter différemment un signal ambigu (2.5 V → garanti H pour l’ACT, typiquement L pour AC). Électronique 1 (cours 3) Introduction | Technologies | Spécifications 15 / 27 Spécifications Paramètres typiques de quelques familles de circuits CMOS (séries T visent compatibilité avec les circuits TTL) Paramètre VIH (min) VOH (min) VIL (max) VOL (max) IIH (max) IIL (max) IOH (max) IOL (max) TProp (max) Électronique 1 (cours 3) 74C 74HC 3.5 V 4.5 V 1.5 V 0.5 V 1.0 V 0.4 mA 0.4 mA 50 ns 4.0 mA 4.0 mA 8 ns 74AC 74HCT 74ACT 2.0 V 4.9 V 1.5 V 0.8 V 0.1 V 1 µA 1 µA 24 mA 4.0 mA 24 mA 24 mA 4.0 mA 24 mA 4.7 ns 8 ns 4.7 ns Introduction | Technologies | Spécifications 16 / 27 Spécifications Lire les spécifications des fabricants 3bis. Entrance et Sortance (“fan-in” et “fan-out”) Charge unitaire courant de commande d’une entrée de la porte élémentaire de la famille logique considérée Entrance E courant de commande maximum d’une entrée exprimée en charge unitaire (l’entrée consomme un courant équivalent à E portes élémentaires en parallèle) Exemple: TTL-N porte de base: IIH = 40 µA, IIH = −1.6 mA, CI au hasard: IIH = 400 µA, IIH = −8 mA, Rightarrow Entrance au niveau haut: 10 Rightarrow Entrance au niveau bas: 5 Rightarrow Entrance maximale du CI: 10 Électronique 1 (cours 3) Introduction | Technologies | Spécifications 17 / 27 Spécifications Lire les spécifications des fabricants 3bis. Entrance et Sortance (“fan-in” et “fan-out”) Sortance S courant maximum qu’une porte peut fournir (normalisé par celui d’une porte élémentaire) la sortie ne peut alimenter qu’au plus S portes unitaires en parallèles Exemple: TTL-N porte de base: IIH = 40 µA, IIH = −1.6 mA, CI au hasard: IIH = 400 µA, IIH = −20 mA, Rightarrow Sortance au niveau haut: 10 Rightarrow Sortance au niveau bas: 12.5 Rightarrow Sortance minimale du CI: 10 Électronique 1 (cours 3) Introduction | Technologies | Spécifications 18 / 27 Spécifications Entrance et Sortance: implications pour la conception ⇒ sur chaque équipotentielle, il faut que X X SH > EH ∧ SL > EL Sinon: Les courants maximums sont dépassés Les tensions ne sont plus dans les intervalles garantis Pannes sporadiques très complexes à identifier et résoudre Électronique 1 (cours 3) Introduction | Technologies | Spécifications 19 / 27 Spécifications Lire les spécifications des fabricants 4. Comportement dynamique: délais Durée d’évolution Temps de changement de tension de sortie pour un basculement logique (tempse de montée, temps de descente). Symboliquement: H 90% 90% 10% 10% tf tr L Propagation le l’information à travers la porte Temps entre l’évolution d’une entrée et l’évolution correspondante d’une sortie. Entrée 50% tpLH tpHL 50% Électronique 1 (cours 3) Introduction | Technologies | Spécifications 20 / 27 Spécifications Lire les spécifications des fabricants 4. Comportement dynamique: délais Caractéristiques dynamiques (anglais: “AC”: courant alterné) Temps de propagation tpLH et tpHL presque pareils. Légèrement plus rapide à tension d’alimentation plus grande. Électronique 1 (cours 3) Introduction | Technologies | Spécifications 21 / 27 Spécifications Caractéristiques électriques dynamiques Puissance consommée Règle générale: puissance consommée par un CI augmente avec la fréquence des signaux. Courants par des connexions transitoires lors du passage 1 → 0 et 0 → 1. Charge et décharge des capacités d’entrée des autres circuits. Cas des CMOS: P ∝ U 2 f (constante de proportionnalité dépent du circuit, de la technologie. Électronique 1 (cours 3) Introduction | Technologies | Spécifications 22 / 27 Spécifications Caractéristiques électriques dynamiques Immunité dynamique au bruit Perturbation lente: acceptable si inférieure à l’immunité statique (voir plus haut: tolérance au bruit) Perturbation rapide (de l’odre du temps de propagation): acceptable si inférieure à l’immunité dynamique Immunité dynamique ¿ immunité statique (des impulsions parasitaires vont être d’autant plus lissées qu’elles sont courtes) Très rarement documenté par les fabricants. . . Électronique 1 (cours 3) Introduction | Technologies | Spécifications 23 / 27 Circuits d’entrée/sortie particuliers Circuits d’entrée/sortie particuliers Entrée trigger de Schmitt En présence de fluctuations / de bruit, risque d’oscillation de la sortie: 1 0.75 0.5 0.25 0 niveau de bascule 0 ↔ 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 910 temps Introduction d’une hystèrese: seuil de retour éloigné du seuil aller 1 0.75 0.5 0.25 0 niveau de bascule 1 → 0 niveau de bascule 0 → 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 910 temps Symboles: E Électronique 1 (cours 3) S E E1 S E2 Introduction | Technologies | Spécifications S 24 / 27 Circuits d’entrée/sortie particuliers Circuits d’entrée/sortie particuliers Sortie collecteur ouvert Technologie TTL: collecteur de sortie non relié en interne Utilité: I I I E Ajouter la charge la mieux adaptée à l’application Adaptation de niveau logique Réalisation d’un and cablé en sortie S Électronique 1 (cours 3) Introduction | Technologies | Spécifications 25 / 27 Circuits d’entrée/sortie particuliers Circuits d’entrée/sortie particuliers Sortie trois états Troisième état: haute impédeance I I Comme si déconnecté Anglais: tri-state ou Hi-Z Requière une entrée supplémentaire pour mettre la sortie dans cet état Utilité: Bus de communication I I Sorties de plusieurs circuits interconnectées Tous les circuits en état de haute impédance (comme absents), sauf au plus 1 qui s’approprie la sortie (appelé le bus). EN E Électronique 1 (cours 3) S EN 0 0 1 1 Introduction | Technologies | Spécifications E 0 1 0 1 S High-Z High-Z 0 0 26 / 27 Circuits d’entrée/sortie particuliers Fin du troisième cours Prochain épisode (quatrième cours) dans quelques instants ! Quinze minutes de pause! Électronique 1 (cours 3) Introduction | Technologies | Spécifications 27 / 27