Laboratoire #6.pgs

Cours ELE2302
Note:: -
Circuits Électroniques
Automne 2005
La feuille de préparation est à la page 8
La feuille de préparation DOIT être remplie personnellement et remise en entrant
au laboratoire, sans quoi elle ne sera pas corrigée.
CARACTÉRISTIQUES de la logique CMOS
OBJECTIFS:
Le but de ce laboratoire est d'étudier les caractéristiques des portes logique en
technologie CMOS. Plus particulièrement, les niveaux logiques, les marges de bruit, le FANOUT, les caractéristiques AC.
Les paragraphes suivants donnent une description sommaire de la logique CMOS.
1.0
Préparation
1.1
Circuits internes de la logique CMOS
La figure 1 illustre une porte NOR CMOS typique. Q1 et Q2 sont des transistors MOS à
enrichissement, canal "P", Q3 et Q4 sont des transistors MOS à enrichissement, canal "N". La
plupart des circuits intégrés CMOS ont une tension d'alimentation pouvant varier entre +3V
et +15V selon l'utilisation, (sauf les circuits CMOS à grande vitesse (HC, SC etc.) qui sont
limités à 5 Volts).
La porte de la figure 1 réalise la fonction NOR de la façon suivante: Si les deux
entrées A et B sont à l'état BAS, Q1 et Q2 conduisent, tandis que Q3 et Q4 sont inactifs, la
sortie est alors à l'état HAUT. Si au moins une des deux entrées est à l'état HAUT, Q 1 ou Q2 est
V
V
cc
cc
Q
1
A
Q
B
3
Q
2
Q
4
V
Q
1
Q
2
A
OUT
cc
B
OUT
Q
Q
3
Q
4
IN
1
OUT
Q
2
Figure 3 Inverseur
Figure 1 NOR
Figure 2 NAND
inactif, et Q3 ou Q4 conduit, la sortie est alors à l'état BAS . La figure 2 illustre une porte
NAND en CMOS: la position des transistors en série et en parallèle est inversée par rapport
à la porte NOR. La figure 3 représente la porte la plus simple, c'est-à-dire, l'inverseur.
1.1
Consommation
1.1.1 Consommation statique
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L'entrée d'un transistor MOS est essentiellement capacitive (environ 7.5pF en parallèle avec
une résistance > 1012 ohm). L'impédance d'entrée d'une porte CMOS est donc très grande.
Une sortie CMOS n'a alors presque pas besoin de fournir du courant à une entrée CMOS et la
chute de tension dans les transistors de sortie est presque nulle. Donc, les niveaux logiques
rencontrés en CMOS sont essentiellement égaux à Vcc (pour le niveau haut), ou à 0 Volt (pour
le niveau bas), du moins en l'absence de charges d'autre nature appliquées à la sortie.
D'autre part, l'examen du circuit montre qu'il n'existe normalement aucun chemin pour le courant
d'alimentation. En effet, dans le cas de la porte “NOR”, si l'un des transistors Q 1 ou Q2 est éteint,
la combinaison série de ces deux éléments constitue un circuit ouvert, et il ne peut y passer
V
cc
V
Q
1
0volt
5 volts
2
0volt
Q
4
Q
5 volts
A
2
0volt
00
Q
3
10 ou 01
4
Q
Q
2
OUT
OUT
Q
cc
1
Q
OUT
3
V
1
Q
Q
cc
5 volts
Q
Q
3
4
11
Figure 4 Circuits équivalents du NOR suivant ses entrées
aucun courant. Dans le cas contraire, si les deux transistors ont allumés, alors les transistors Q 3 et
Q4 seront tous deux éteints, et le courant n'aura aucun chemin possible vers la masse. Il ne
passera donc aucun courant. La figure 4 illustre tous les cas possibles, en remplaçant, chaque
transistor par une résistance ou un circuit ouvert, suivant l'input. On voit que le courant
d'alimentation est nul dans tous les cas, car il n'y a pas du chemin continu de V CC à la masse.
QP1: Montrez que pour le circuit “NAND” de la figure 2, il n'existe aucun chemin pour le
courant d'alimentation (de Vcc vers la masse) quelle que soit la combinaison de niveaux
hauts et bas appliqués à “A” et “B”.
Il faut noter que ceci ne s'applique que dans des conditions statiques, i.e. quand les
niveaux à l'entrée (et par conséquent à la sortie) ne changent pas et sont carrément hauts (V CC)
ou bas (0 volt)
1.1.2 Consommation dynamique.
Si les signaux appliqués à l’entrée d’un circuit CMOS sont carrément hauts ou bas, le
courant d’alimentation est pratiquement nul. Cependant, il se trouve que lors des transitions d’un
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état à un autre, la capacité de charge doit être chargée ou déchargée (suivant la direction du
changement). Il en résulte qu’à chaque cycle, une certaine charge est transférée de V CC vers la
masse, d’où il résulte un courant moyen beaucoup plus grand que le courant de repos.
QP2
En négligeant tous les autres effets, quel sera le courant moyen d’alimentation d’un
inverseur (figure 3) chargé par un condensateur de 1nF si le circuit est utilisé pour
inverser une onde carrée de 1MHz? (VCC=5volts)
1.2
CARACTÉRISTIQUES VIS-À-VIS LE BRUIT
Le comportement des circuits vis-à-vis le bruit
VCC=5volts
dépend fortement des conditions d'utilisation. En
général, on spécifie deux caractéristiques
200Ω
intimement liées: l'immunité au bruit et la marge
de bruit.
Q
Q
1
1
1.2.1 L'immunité au bruit
OUT
C'est une caractéristique propre à chaque IN
Q
Q
circuit et qui constitue une mesure de la différence
2
2
200Ω
maximale que le circuit peut tolérer de façon
certaine entre le niveau recommandé à son entrée
et le niveau effectivement appliqué. Par exemple,
la tension basse recommandée à l'entrée d'un
Figure 5 Double inverseur
circuit TTL est zéro volt, et le manufacturier
garantit que le circuit acceptera comme basse, toute tension inférieure à 0.8 V. Il s'ensuit que
l'on peut dire que l'immunité au bruit à l'entrée d'un circuit TTL à l'état bas est de 0.8 V.
QP3
Si le manufacturier d'un circuit spécifie à 1.5 volts la tension maximale acceptable
comme tension basse à l'entrée d'un circuit, et à 3 volts la tension minimale acceptable
comme tension haute au même endroit, quelle est l'immunité au bruit de ce circuit pour
une entrée basse, et pour une entrée haute?
1.2.2 Marge de bruit
La notion de marge de bruit vient du fait que dans des conditions réelles d'opération, les
tensions appliquées à l'entrée des circuits diffèrent des tensions recommandées, même en
l'absence de bruit. Il en résulte que l'immunité réelle au bruit s'en trouve réduite. C'est cette
immunité restante, constituée par la différence entre le niveau maximal acceptable à l'entrée du
circuit et le niveau effectivement appliqué (en l'absence de bruit), que l'on appelle habituellement
la marge de bruit. Par exemple, pour les circuits TTL encore, les manufacturiers spécifient que
la tension de sortie à l'état bas d'une porte chargée au maximum de courant spécifié dans la
norme (16 mA pour le TTL standard) sera inférieure à 0.4 volt. Puisque l'immunité au bruit à
l'entrée d'une porte TTL est de 0.8 volt à l'état bas, on pourra dire que le circuit jouit d'une
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marge de bruit de 0.4 volt à l'état bas, i.e. la différence entre le niveau maximal acceptable
comme niveau bas à l'entrée, et le niveau bas maximal garanti par la sortie à laquelle cette entrée
est connectée.
Il est à remarquer que ces notions sont fortement simplifiées et ne constituent nullement
la totalité de l'information nécessaire pour évaluer la fiabilité éventuelle d'un circuit vis-à-vis le
bruit. L'agencement des circuits, les diverses impédances vues par les sources de bruit, la
rapidité de réponse, la vitesse des transitions des sorties peuvent chacun avoir une influence plus
grande que les valeurs absolues de l'immunité au bruit ou de la marge de bruit.
QP4
Pour le circuit de la figure 5, si le transistor Q1 en conduction a une impédance de 200 Ω
et si le transistor Q2 a une impédance de 100 Ω en conduction, quelle sera la marge de
bruit à l'entrée du deuxième inverseur quand l'entrée du premier inverseur est basse, et
quand elle est haute?
Note: Les deux résistances représentent le circuit équivalent d'une charge non-spécifiée qui
serait connectée à la sortie du premier inverseur, qui est aussi l'entrée du second. Pour
résoudre le problème, il faut, pour chaque cas de l'entrée du premier inverseur (haute ou
basse), représenter la sortie de ce dernier par son circuit équivalent de Thévenin, et
calculer la tension qui sera alors appliquée à l'entrée du second inverseur.
1.3
"FAN-OUT" (certains parlent de "Sortance")
Il est convenu d'appeler "FAN-OUT" ou “sortance” le nombre d'entrées de portes
qu'une sortie peut entraîner. Ceci est encore une notion simplifiée qu'il convient de qualifier.
Par exemple, on spécifie habituellement que le "FAN-OUT" d'une porte TTL standard
alimentant d'autres portes TTL standard est de 10. Cependant, si l'on désire augmenter la marge
de bruit (à cause des conditions ambiantes) ou si au contraire on peut se permettre une marge de
bruit réduite, cette spécification devra ou pourra être réajustée.
1.3.1 “FAN-OUT” statique.
Comme une entrée CMOS n'a presqu'aucune exigence de courant, il semblerait que le
FAN-OUT d'une porte CMOS alimentant d'autres portes CMOS soit essentiellement
infini.
1.3.2 “FAN-OUT” dynamique.
Ce serait trop beau, il n'en est habituellement rien. En effet, lors des transitions, la sortie
d'une porte doit fournir le courant requis pour charger la capacité d'entrée des portes qui y
sont connectées. Puisque d'une part, l'impédance de sortie n'est pas nulle, et que d'autre
part, le courant ainsi produit doit circuler dans des conducteurs extérieurs au circuit, et
qui présentent nécessairement des caractéristiques inductives, capacitives et résistives, il
est facile de prévoir que toute augmentation du “FAN-OUT” imposé à un circuit réduira
sa vitesse. La responsabilité de déterminer le “FAN-OUT” acceptable dans une condition
donnée, revient donc au concepteur. En simplifiant, un grand “FAN-OUT” signifie une
grande charge capacitive sur le circuit. Lors du passage de l'état haut (nominalement
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VOH=VCC) à l'état bas (nominalement VOL=0 volt), le condensateur est initialement
chargé, et on vient placer la résistance équivalente d'un transistor (Q2 dans le cas de
l'inverseur de la figure 3) à ses bornes. Le circuit de la figure 6, ci-contre, montre ce qui
se passe lors d'un changement d'état de l'entrée. Le
VCC=5volts
commutateur est dans la position haute si l'entrée est basse, et
dans la position basse si l'entrée est haute. Les deux résistances Q
200Ω
1
représentent respectivement les impédances des deux
OUT
transistors quand ceux-ci sont allumés. Il est clair que le temps IN=L
IN=H
de décharge (ou de descente) dépend de la valeur du
CL
condensateur de charge (CL). Pour la transition inverse, le
100Ω
Q
2
condensateur est initialement déchargé, et on vient le relier à
VCC à l'aide de la résistance du transistor Q1.
QP5 Avec les impédances des transistors données plus haut, quelles Figure 6, Inverseur
seront les temps de montée (0% à 90%) et de descente (100% à Circuit Thévenin
10%) à la sortie de l'inverseur de la figure 3 s'il est connecté à une charge capacitive de
1nF?
Note: Cette capacité est fortement exagérée, pour faciliter les mesures au laboratoire. En fait,
dans le cas habituel, la capacité de charge dépassera rarement 75pF, soit l'équivalent
d'environ dix (10) entrées de portes CMOS.
QP6
Quelle est la capacité de charge la plus grande qui permette encore d'espérer des temps de
montée et de descente inférieurs à 20nS?
Note: On peut considérer ici que les transistors commutent de façon instantanée car leurs temps
d'allumage et d'extinction sont négligeables devant l'effet de cette charge capacitive.
1.4
Caractéristiques de transfert du CMOS
En temps normal, les signaux appliqués à l'entrée d'un circuit CMOS sont carrément
hauts ou bas. Cependant, il arrive que les transitions d'un état à un autre se fassent lentement
(cas, par exemple, d'une charge capacitive), et cela peut affecter les performances de plusieurs
façons. Lorsque l'entrée n'est ni vraiment haute ni vraiment basse, les deux transistors (Q1 et Q2,
figure 3) sont partiellement allumés. Il en résulte que le courant d'alimentation augmente
considérablement, pour la porte concernée. De plus, la tension de sortie risque alors de n'être ni
haute ni basse, ce qui affectera les portes dont les entrées sont connectées à cette sortie et ainsi
de suite.
En général, si les transitions à l'entrée d'un circuit sont lentes, les effets seront de quatre
classes principales.
Ralentissement des transitoires à la sortie. En général, elles seront tout-de-même plus
rapides qu'à l'entrée.
Pertes de synchronisme. Si un signal avec un temps de transition trop lent est appliqué
sur les entrées de plusieurs portes, les différences entre les niveaux critiques de ces portes
entraîneront des différences entre les moments où elles commuteront.
Pertes de stabilité. Les circuits peuvent osciller si leurs entrées demeurent trop longtemps
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dans la zone interdite.
Augmentation de la consommation.
2.0
MANIPULATIONS
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Note: Il est impératif de ne jamais laisser flottante (non-connectée) une entrée d'une porte
CMOS, même une entrée d'une porte inutilisée. En effet, la tension sur une entrée laissée
ouverte est inconnue, et peut être dans la plage pour laquelle le courant d'alimentation est
plus grand que le courant de repos par plusieurs ordres de grandeur! Pis encore, des
tensions potentiellement catastrophiques peuvent apparaître sur les entrées nonconnectées, à cause de l'électricité statique.
2.1
Consommation
2.1.1 Effet de la tension d'entrée sur le courant d'alimentation statique.
-
-
Montez un 74C04 (ou l'équivalent) sur la plaquette de montage. Alimentez le
circuit à VCC = 5 volts. Insérez une résistance de faible valeur (<100Ω) entre la
broche VSS et la masse de l'alimentation pour permettre de visionner le courant à
l'aide de l'oscilloscope.
Ajustez le générateur de signal pour produire une onde triangulaire oscillant entre
0 volt et 5 volts, à environ 100Hz. Cette fréquence est assez basse pour qu'on
puisse négliger les effets capacitifs.
Appliquez ce signal sur les six entrées des inverseurs.
Notez la relation entre la tension appliquée à l'entrée et le courant mesuré grâce à
la résistance connectée à Vss.
Note: La tension apparaîssant à la broche Vss devrait être mesurable, mais ne devrait pas
dépasser 0.1 volt crête. Ajustez en conséquence la valeur de la résistance de mesure.
2.1.2 Consommation dynamique
Ajuster le générateur de signal pour produire une onde carrée de 0 à 5 volts.
Enlever la résistance de mesure de la broche VSS (relier directement à la masse)
Placer un milliampère-mètre en série avec VCC, pour mesurer le courant pris par le
circuit.
Placer un condensateur de 1nF (1000pF) entre la sortie d'un des inverseurs et la
masse.
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Appliquez l'onde carrée à l'entrée de cet inverseur. (N'oubliez pas de relier les
entrées non utilisées à la masse ou à l'alimentation.)
Faîtes varier la fréquence de l'onde carrée entre 100 Hz et 10 MHz. Tracez la
courbe du courant d'alimentation en fonction de la fréquence.
Note: Il pourrait être nécessaire, (et il est dans tous les cas désirable) de placer un
condensateur (environ 0.1 µF) directement entre la broche VCC et la broche VSS du
circuit.
2.2
Immunité au bruit et marge de bruit.
Enlevez le condensateur de 1nF de la sortie de l'inverseur, et remplacez-le par
deux résistances comme à la figure 5. Notez les tensions effectivement obtenues
alors à la sortie de la porte à quelques fréquences.
Connectez cette sortie à l'entrée d'un deuxième inverseur, et observez la sortie de
ce dernier.
Essayez de tirer des conclusions de vos observatioons.
2.3
“Fan-Out”
Enlevez les résistances, et observez la forme du signal à la sortie de l'inverseur.
Apportez une attention particulière aux valeurs du temps de montée et du temps
de descente. Utilisez une fréquence qui vous permette la mesure de ces temps.
Placez un condensateur entre la sortie et la masse et mesurez de nouveau les
temps de montée et de descente.
Tracez un graphique montrant les temps de montée et de descente en fonction de
la capacité connectée à la sortie, pour 0 pF jusqu'à 10 nF.
Sachant que l'entrée d'une porte CMOS représente une capacité d'environ 7.5 pF,
estimez le “FAN-OUT” qu'il serait raisonnable d'imposer à une sortie (combien
d'entrées connectées) pour ne pas dégrader appréciablement sa vitesse.
Note: Il faudra bien sûr ajuster la fréquence d'opération en fonction des temps de montée et de
descente obtenus.
2.4
Caractéristiques de transfert
-
Ajustez de nouveau le générateur de signal pour une onde triangulaire de 0 à
5 volts.
Appliquez ce signal à l'entrée de deux inverseurs. Appliquez les sorties de ces
deux inverseurs aux entrées de deux autres, et finalement les sorties de ces deux
aux entrées des deux inverseurs restant.
Notez la forme des signaux après 1, 2 et 3 inverseurs. Comparez avec les formes
obtenues en appliquant une onde carrée.
Comparez les phases relatives des signaux de sortie des troisièmes inverseurs des
deux chaines d'inverseurs, à 1kHz, 100kHz et 2MHz, avec une entrée carrée, et
avec une entrée triangulaire. Essayez d'en tirer des conclusions quand à
l'importance des formes d'onde sur les performances.
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Feuille
deELE2302
préparation personnelle.
Remettre en arrivant au laboratoire. N'oubliez pas d'en garder une copie!
Nom et prénom
Signature
________________________________Mat:_______
___________________________
Groupe #______
Total ( /10): _________
QP1
Montrez comment le courant d'alimentation (en l’absence de signal) doit être approximativement nul.
QP2
QP3
ICC=___________ mA à 1MHz, avec CL= 1nF
Immunité au bruit:
Entrée Basse: ________
Entrée haute: ________
Marge de bruit pour la figure 5.
Entrée Basse: ________
Entrée haute: ________
QP4
QP5
Avec CL=1nF:
QP6
Pour des temps de montée et de descente inférieurs à 20 nanosecondes
CL<__________
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Temps de montée
Temps de descente
________
________
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