Portes Logiques : Cours d'Électronique Numérique

Diodes et transistors sont des composants dits analogiques, ce qui signifie qu'ils manipulent des
variables continues, comme des courants ou des tensions. Mais l'électronique ne se limite pas à
l'électronique dite analogique, centrée sur l'étude des signaux continus. A côté d'elle,
l'électronique numérique étudie les signaux purement digitaux, souvent codés en binaire. Les
circuits qui manipulent des données binaires sont fabriqués à partir de composants : les portes
logiques.
 Les différentes portes logiques
o 1.1La porte NON
o 1.2La porte ET
o 1.3Porte NAND
o 1.4La porte OU
o 1.5Porte NOR
o 1.6Porte XOR
o 1.7Porte NXOR
 2Les propriétés des portes logiques
o 2.1La caractéristique tension d'entrée-tension de sortie
o 2.2Le temps de propagation
o 2.3La sortance
 Les différentes portes logiques [modifier | modifier le wikicode]
Les portes logiques sont des petits circuits qui prennent un ou plusieurs bit en entrée et
fournissent un bit de résultat. Elles-mêmes sont fabriquées à partir de transistors ou de diodes,
selon la technologie utilisée. Dans ce chapitre, nous allons voir ce que sont ces portes logiques
et comment elles fonctionnent. Nous verrons dans un prochain chapitre comment elles sont
fabriquées à partir de transistors.
Sur les schémas qui vont suivre, les entrées des portes logiques seront à gauche
et les sorties à droite !
La porte NON[modifier modifier le wikicode
La première porte fondamentale est la porte NON, qui agit sur un seul bit : la sortie d'une
porte NON est exactement le contraire de l'entrée.
Pour simplifier la compréhension, je vais rassembler les états de sortie en fonction des
entrées pour chaque porte logique dans un tableau que l'on appelle table de vérité.
Entrée
Sortie
0
1
1
0
La porte ET [modifier | modifier le wikicode]
La porte ET possède plusieurs entrées, mais une seule sortie. Cette porte logique met sa
sortie à 1 quand toutes ses entrées valent 1. Dans le cas le plus simple, une porte ET
possède deux entrées.

Entrée 1
Entrée 2
Sortie
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
Il existe des portes ET qui ont plus de deux entrées, et peuvent en avoir 3, 4, 5, 6, 7, etc. Là
encore, leur sortie ne vaut 1 que si toutes les entrées valent 1 : dans le cas contraire, la
sortie de la porte ET vaut 0. Dit autrement, si une seule entrée vaut 0, la sortie de la porte ET
vaut 0.
Porte NAND [modifier | modifier le wikicode]
La porte NAND donne l'exact inverse de la sortie d'une porte ET. En clair, sa sortie ne vaut 1
que si au moins une entrée est nulle. Dans le cas contraire, si toutes les entrées sont à 1, la
sortie vaut 0. Dans le cas le plus simple, une porte NAND a deux entrées. Là encore, il existe
des portes NAND ont plus de deux entrées : elles peuvent en avoir 3, 4, 5, 6, 7, etc. Là
encore, leur sortie ne vaut 1 que si au moins une entrée est nulle : dans le cas contraire, la
sortie de la porte ET vaut 0. Dit autrement, si toutes les entrées sont à 1, la sortie vaut 0.
Entrée 1
Entrée 2
Sortie
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0

Au fait, si vous regardez le schéma de la porte NAND, vous verrez que son symbole est
presque identique à celui d'une porte ET : seul le petit rond sur la sortie de la porte a été
rajouté. Il s'agit d'une sorte de raccourci pour schématiser une porte NON.
La porte OU [modifier | modifier le wikicode]
La porte OU est une porte dont la sortie vaut 1 si et seulement si au moins une entrée vaut 1.
Dit autrement, sa sortie est à 0 si toutes les entrées sont à 0. Dans le cas le plus simple, la
porte OU possède deux entrées, ainsi qu'une seule sortie. Cette porte logique met sa sortie à
1 quand au moins une de ses entrées vaut 1. Là encore, il existe des portes OU ont plus de
deux entrées. Là encore, leur sortie est à 0 si et seulement si toutes les entrées sont à 0 : si
une seule entrée est à 1, alors la sortie vaut 1.
Entrée 1
Entrée 2
Sortie
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
Porte NOR [modifier | modifier le wikicode]
La porte NOR donne l'exact inverse de la sortie d'une porte OU. Là encore, il en existe une
version avec deux entrées, et des versions avec plus de deux entrées. Les tableaux et
symboles qui suivent sont ceux d'une porte NOR à deux entrées.
Entrée 1
Entrée 2
Sortie
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0

Porte XOR [modifier | modifier le wikicode]
Avec une porte OU, deux ET et deux portes NON, on peut créer une porte nommée XOR.
Cette porte est souvent appelée porte OU exclusif. Sa sortie est à 1 quand les deux bits
placés sur ses entrées sont différents, et vaut 0 sinon.
Entrée 1
Entrée 2
Sortie
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
0
Porte NXOR [modifier | modifier le wikicode]
La porte XOR possède une petite sœur : la NXOR. Sa sortie est à 1 quand les deux entrées
sont identiques, et vaut 0 sinon (elle est équivalente à une porte XOR suivie d'une porte
NON).
Entrée 1
Entrée 2
Sortie
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
1

Les propriétés des portes logiques [modifier | modifier le wiki
code]
Les portes logiques ont toutes diverses propriétés que l'électronicien doit connaitre. Par
exemple, elles mettent du temps à réagir quand on change leur entrée, de même qu'il existe
une relation entre la tension de sortie et celle d'entrée, etc. Dans ce qui va suivre, nous
allons voir ces propriétés dans le cas le plus simple : celui d'une porte NON, une simple porte
inverseuse. Tout ce qui sera dit dans cette section peut se généraliser, avec un petit effort,
aux autres portes logiques plus complexes. Si les portes NON sont plus simples à étudier,
c'est parce qu'elles n'ont qu'une seule entrée, alors que les autres portes logiques en ont
plusieurs. Nous allons d'abord voir la relation entre tension d'entrée et tension de sortie, puis
voir le délai de transmission entre entrée et sortie, avant de poursuivre par quelques
propriétés annexes comme le fan-out.
La caractéristique tension d'entrée-tension de
sortie[modifier | modifier le wiki ode]
Le rapport entre tension à l'entrée et tension de sortie d'une porte NON, aussi
appelée caractéristique en tension, est assez complexe, aussi il vaut mieux commencer par
étudier une version simplifiée de celui-ci. Pour simplifier, le rapport entre et est
illustré par le schéma ci-dessous. Pour caricaturer, on peut décomposer cette caractéristique
en trois parties : deux zones dites de saturation et une zone d'amplification. Dans la zone de
saturation, la tension est approximativement égale à la tension maximale ou minimale, ce qui
fait qu'elle code pour un 0 ou un 1. Les seuils pour coder un 0 ou un 1 ne sont pas les
mêmes entre l’entrée d'une porte NON et sa sortie. Ils sont beaucoup plus resserrés sur
l'entrée, la marge de sécurité entre 1 et 0 étant plus faible. Un signal qui ne correspondrait
pas à un 0 ou un 1 en sortie peut l'être en entrée. Entre ces deux zones extrêmes, la tension
de sortie dépend linéairement de la tension d'entrée (si on omet l'inversion). Dans cette zone,
la porte logique amplifie le signal d'entrée en plus de l'inverser.
Il existe deux tensions d'entrée qui servent de limites aux zones de saturation/amplification.
La première, notée (V Input Low), est la tension d'entrée maximale qui code un 0 en
entrée : toute tension inférieure code un 0. La seconde, notée (V Input High), est la
tension minimale pour coder un 1 : au-delà, toute tension code un 1. Entre les deux, on se
trouve dans la zone de saturation. A ces deux tensions d'entrée correspondent
respectivement la tension de sortie minimale et maximale, notées et (V output
Low et V Output High).
Une porte NON est d'autant meilleure qu'elle a une zone d'amplification la plus petite
possible. Le cas parfait est celui où la zone d'amplification est d'épaisseur nulle, celui où
la tension passe directement de 0 à 1 en passant une tension seuil. Ce cas parfait, celui
d'une porte NON idéale, est irréaliste et n'est jamais réalisé en pratique.
En réalité, la caractéristique en tension est plus lisse, moins droite que dans le schéma
précédent. Il n'y a pas de frontière nette entre les zones de saturation et d'amplification, mais une
transition progressive d'un régime à l'autre. La courbe réelle est illustrée ci-dessous et on voit
qu'elle ressemble approximativement à une sigmoïde. La frontière entre zones de saturation et
d'amplification est définie arbitrairement à partir de la pente de la courbe. On passe de l'un à
l'autre quand la pente vaut -1.