T.P. N° 1 : Circuits intégrés logiques DÉROULEMENT DE LA SÉANCE TITRE ACTIVITÉS PROF ACTIVITÉS ÉLÈVES MOYEN DURÉE Fin du T.P. {? heures} Page 1 sur 21 Tableau de comité de lecture Date de lecture 16 août 2000 26 août 2001 Lecteurs CROCHET David CROCHET David Observation Première version + Améliorations mineures + Version finale Mise à jour des donnés de cette page (mail et adresse) Remarques rédacteur Date modifications 16 août 2000 26 août 2001 Quote of the day : Fournir ma contribution aux autres est ma philosophie. Et la vôtre ? Si vous avez lu ce T.P. et que vous avez des remarques à faire, n'hésiter pas et écrivez-moi à l'adresse suivante : Ce dossier contient : E-Mail : Adresse Professionnel : [email protected] CROCHET David Professeur de Génie électrique Un dossier élève (pages 4 à 7) Lycée Joliot CURIE Un dossier prof (pages 8 à 12) Place du Pigeon Blanc Un dossier prof (pages 13 à 19) 02500 HIRSON Un transparent (page 20 à 21 ) (Adresse valable jusq'au 30 juin 2002 Page 2 sur 21 T.P. N° 1 Circuits logiques intégrés Niveau : 1 STI GET Lieu : Salle de cours Durée : ? heures Organisation : groupe ½ classe, travail individuel et en binôme LIAISON AU RÉFÉRENTIEL B 1 CHAPITRE 3 (Représentation de l'information) Paragraphe 3.2 : les fonctions logiques Paragraphe 3.2.1 : outil de description d'une fonction logique Paragraphe 3.2.2 : théorème de De Morgan Paragraphe 3.2.3 : opérateurs logiques PRÉ-REQUIS Les élèves doivent être capables : - Rechercher des informations dans une documentation constructeur. Appliquer la loi des mailles et la loi d' sur un circuit électrique simple. Calculer la puissance dissipée par une résistance. Établir une équation logique à partir d'une table de vérité. Établir un logigramme et un schéma à contact à partir d'une équation. OBJECTIFS Les élèves devront être capables de : - Différencier la technologie (TTL ou CMOS) d'un composant intégré appartenant à une famille quelconque. - Calculer la résistance de limitation du courant dans un composant telle qu'une D.E.L. (valeur ohmique et puissance). - Câbler un montage sur une platine LABDEC. - Identifier un opérateur logique (ET, OU, NAND, NOR, XOR) d'après son fonctionnement. - Identifier un composant intégré par son numéro et son descriptif correspondant. NIVEAU D'APPRENTISSAGE - Apprendre à (savoir intégré) Apprendre à (savoir actif) MÉTHODE - Active Page 3 sur 21 B 1 – AUTOMATIQUE ET INFORMATIQUE INDUSTRIELLE S.T.I. - G.E.T. T.P. N° 1 CIRCUIT LOGIQUE INTÉGRÉ DOSSIER PÉDAGOGIQUE CIRCUITS LOGIQUES INTÉGRÉS Objectif : Utiliser le traitement d'informations logiques Valider les outils de descriptions Valider le comportement réel d'un circuit intégré face à un problème logique posé Matériel : Documents : Aucun document autorisé Secteur : Salle de cours Nom, Prénom : Durée : ? heures Classe, Groupe : Page 4 sur 21 L'Électronique numérique 1. Rappel: Algèbre binaire 1.1. Définition des lois La Somme a 0 1 0 0 1 1 1 1 b S = a + b : fonction OU Le Produit a La complémentarité 0 1 a a 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 b 1.2. Propriétés Commutativité Associativité a+b=b+a a.(b.c)=(a.b).c=a.b.c a.b=b.a a+(b+c)=(a+b)+c=a+b+c Absorption Élément neutre a+(a.b)=a a+0=a a.(a+b)=a a.1=a a.0=0 a.a=a a+1=1 a+a=a 1.3. NAND, NOR, XOR NAND a 0 1 0 1 1 1 1 0 b aa S = a . b : fonction ET : fonction NON Distributivité a+(b.c)=(a+b).(a+c) a.(b+c)=(a.b)+(a.c) Théorème de MORGAN a b a. b a. b a b NOR a XOR 0 1 0 1 0 1 0 0 b a 1 0 0 1 1 1 0 a b a b a.b 0 b 1.4. Symboles OU ET NON NOR NAND XOR Norme US Norme CEE Norme US Norme CEE Page 5 sur 21 2. Pour les 5 exercices suivants, on vous demande de : Donner l'équation logique du logigramme Donner la table de vérité Donner dans chaque cas la fonction réalisée. A la fin des exercices, conclure sur l'utilisation des portes NAND et NOR. a a 1 S2 & S1 a a & 1 1 b S3 & b S4 & 1 a a 1 b 1 S5 b & & S6 3. Travaux pratiques : Fonctions de base de la logique combinatoire Pour chacun de circuits énumérés ci dessous : 3.1. Indiquer de quelle fonction il s’agit puis établir sa table de vérité Référence circuits : 4049 4073 4071 4070 4077 4011 4001 C.M.O.S. série 4000 4069 4081 4072 4030 4009 4082 4075 4507 4012 4002 4023 4025 3.2. Établir Le plan de câblage, qui prendra en compte l’alimentation du circuit. (Repérage des bornes) 3.3. Faire le plan de masse du circuit avant de le câbler. 3.4. Après vérification du professeur effectuer une vérification expérimentale du circuit en relevant la table de vérité Page 6 sur 21 20 11 1 10 4. Soit l'équation de fonctionnement d'un récepteur : X a.(b c) 4.1. Rechercher le logigramme en utilisant des fonctions à deux entrées : 4.1.1. Fonctions : NON, ET, OU. 4.1.2. Fonctions : NOR uniquement 4.2. Conclusion : Quel va être le logigramme le plus facile à mettre en œuvre ? Pourquoi ? 4.3. Réaliser à partir du logigramme obtenu (portes NOR), un schéma de câblage en utilisant le brochage normalisé. Vous utiliserez une diode électroluminescente de protection en série pour visualiser X. 4.4. Effectuer le câblage et procéder aux essais après vérification du professeur. 5. Soit l'équation de fonctionnement d'un récepteur : Y a.(b c) 5.1. Rechercher le logigramme en utilisant des fonctions à deux entrées : 5.1.1. Fonctions : NAND. 5.1.2. Fonctions : NOR. 5.2. Conclusion ? 5.3. Réaliser à partir du logigramme obtenu (portes NAND), un schéma de câblage en utilisant le brochage normalisé. Vous utiliserez une diode électroluminescente de protection en série pour visualiser Y. 5.4. Effectuer le câblage et procéder aux essais après vérification du professeur. 6. Soit l'équation de fonctionnement d'un récepteur : Z a (b.c) 6.1. Rechercher le logigramme en utilisant des fonctions NAND à deux entrées : 6.2. Réaliser à partir du logigramme obtenu, un schéma de câblage en utilisant le brochage normalisé. Vous utiliserez une diode électroluminescente de protection en série pour visualiser Z. 6.3. Effectuer le câblage et procéder aux essais après vérification du professeur. Page 7 sur 21 B 1 – AUTOMATIQUE ET INFORMATIQUE INDUSTRIELLE S.T.I. - G.E.T. CIRCUITS LOGIQUES INTÉGRÉS DOSSIER PROFESSEUR T.P. N° 1 CIRCUITS LOGIQUES INTÉGRÉS Objectif : Utiliser le traitement d'informations logiques Valider les outils de descriptions Valider le comportement réel d'un circuit intégré face à un problème logique posé Matériel : Documents : Aucun document autorisé Secteur : Salle de cours Nom, Prénom : Durée : 2 heures Classe, Groupe : Page 8 sur 21 PRÉPARATION 1. 2. Rappel : Algèbre Binaire Pour les 5 exercices suivants, on vous demande de : Donner l'équation logique du logigramme Donner la table de vérité Donner dans chaque cas la fonction réalisée. A la fin des exercices, conclure sur l'utilisation des portes NAND et NOR. a Fonction ET aa a S = 1 1 S1=a a a.b 0 1 a.b a 0 0 0 b a.a a S = 2 1 0 1 & S2=a a 1 Fonction OU a b b 1 1 S3= a b a.b a.b a.b S3= a a & & b & b a b a 0 1 0 0 1 b 1 1 1 S1 : NON S2 : NON S3 : ET S4 : OU S5 : OU S6 : ET ab 1 a b S4=a.b a b a b S4= a b a+b 1 S5= a b a b S5= a b & S6= a.b a.b a.b S6= a.b & Page 9 sur 21 TRAVAIL DEMANDE 3. Travaux pratiques : Fonctions de base de la logique combinatoire Pour chacun de circuits énumérés ci dessous : 3.1. Indiquer de quelle fonction il s’agit puis établir sa table de vérité 3.2. Établir Le plan de câblage, qui prendra en compte l’alimentation du circuit. (Repérage des bornes) 3.3. Faire le plan de masse du circuit avant de le câbler. 3.4. Après vérification du professeur effectuer une vérification expérimentale du circuit en relevant la table de vérité 4049 4073 4071 4070 4077 4011 4001 Référence circuits : 6 NON 3 x 3 ET 4 x 2 OU 4 XOR 4 x NON-XOR 4 x 2 NAND 4 x 2 NOR C.M.O.S. série 4000 4069 6 NON 4081 4 x 2 ET 4072 2 x 4 OU 4030 4 XOR 4009 4082 4075 4507 4012 2 x 4 NAND 4002 2 x 4 NOR 4023 3 x 3 NAND 4025 3 x 3 NOR 6 NON 2 x 4 ET 3 x 3 OU 4 XOR 4. Soit l'équation de fonctionnement d'un récepteur : X a.(b c) Rechercher le logigramme en utilisant des fonctions à deux entrées : 4.1. Fonctions : NON, ET, OU. a a 1 a.(b c) b bc 1 c & 4.2. Fonctions : NOR uniquement a bc 1 a b c a.(b c) b c 1 4.3. Conclusion : Quel va être le logigramme le plus facile à mettre en œuvre ? Pourquoi ? C'est celle avec les portes NOR car elle utilise moins de portes mais surtout, mois de circuits. Page 10 sur 21 4.4. Réaliser à partir du logigramme obtenu (portes NOR), un schéma de câblage en utilisant le brochage normalisé. Vous utiliserez une diode électroluminescente de protection en série pour visualiser X. + Vcc a 1 b Rp 1 c 0V R R R 4.5. Effectuer le câblage et procéder aux essais après vérification du professeur. + VCC + VCC + VCC 74 02 74 28 b c + VDD 74 36 a b 74 805 c a b c 4001 a GND GND b c GND a VSS 5. Soit l'équation de fonctionnement d'un récepteur : Y a.(b c) Rechercher le logigramme en utilisant des fonctions à deux entrées : 5.1. Fonctions : NAND. b a & c & a.b & a.b.a.c a.b a.c a.b c a.c 5.2. Fonctions : NOR. a 1 a b c 1 bc 1 abc a.(b c) 5.3. Conclusion ? On utilise le même nombre de porte. Page 11 sur 21 5.4. Réaliser à partir du logigramme obtenu (portes NAND), un schéma de câblage en utilisant le brochage normalisé. Vous utiliserez une diode électroluminescente de protection en série pour visualiser Y. + VCC b a c + VCC 74 00 74 37 b a c + VCC 4011 74 804 GND b a c GND GND 5.5. Effectuer le câblage et procéder aux essais après vérification du professeur. 6. Soit l'équation de fonctionnement d'un récepteur : Z a (b.c) 6.1. Rechercher le logigramme en utilisant des fonctions NAND à deux entrées : a & a a.(b.c) b c & b.c & & b.c a (b.c) 6.2. Réaliser à partir du logigramme obtenu, un schéma de câblage en utilisant le brochage normalisé. Vous utiliserez une diode électroluminescente de protection en série pour visualiser Z. + VCC b + VCC c 74 00 74 37 + VCC 74 804 a a GND c b 4011 b c a GND GND 6.3. Effectuer le câblage et procéder aux essais après vérification du professeur. Page 12 sur 21 B 1 – AUTOMATIQUE ET INFORMATIQUE INDUSTRIELLE S.T.I. - G.E.T. CIRCUITS LOGIQUES INTÉGRÉS DOSSIER RESSOURCE T.P. N° 1 CIRCUITS LOGIQUES INTÉGRÉS Objectif : Utiliser le traitement d'informations logiques Valider les outils de descriptions Valider le comportement réel d'un circuit intégré face à un problème logique posé Matériel : Documents : Aucun document autorisé Secteur : Salle de cours Nom, Prénom : Durée : 3 heures Classe, Groupe : Page 13 sur 21 CIRCUIT INTÉGRÉ LOGIQUE 1. Présentation Comme son nom d'indique, le circuit intégré permet d'intégrer, c'est à dire de miniaturiser, des opérations logiques, tel que les fonctions NON, ET, OU, NON-ET … Suivant l'évolution permanente des technologies, on arrive à intégrer de plus en plus d'opérateurs en un minimum de place. Les circuits proposés ici sont des circuits simples, mais d'autres circuits, de taille similaire, sont courants dans des applications informatiques (microprocesseurs). Ils se caractérisent alors par une grande complexité interne, et une densité d'intégration (nombre de transistors au cm²) très importante voir remarquable. Remarque : L'INTÉGRATION La technologie des circuits intégrés à fait des bonds spectaculaires depuis la technique de l'intégration à petite échelle (SSI) qui permettait de mettre moins de 13 portes logiques par puce ; maintenant grâce à la technique de l'intégration à très grande échelle (VLSI) ce sont plusieurs milliers de composant que l'on intègre dans une puce. Entre ces deux pôles, il y a la technique de l'intégration à moyenne échelle (MSI) grâce à laquelle on met entre 13 et 99 portes logiques par puce et l'intégration à grande échelle (LSI). 2. Familles Logiques L'utilisation presque universelle des CI rend maintenant nécessaire la connaissance des caractéristiques des familles logiques les plus courantes. Il est possible de classer toutes les familles logiques en deux catégories générales selon le dispositif utilisé dans la fabrication du circuit. D'une part, il y a les familles bipolaires, telles que TTL et ECL, qui utilisent des transistors bipolaires (NPN, PNP) comme principal élément de circuit. D'autre part, il y a les familles MOS qui gravitent autour des transistors à effet de champ (PMOS, NMOS et CMOS) Actuellement les familles logiques TTL et CMOS dominent les secteurs d'applications. 3. Caractéristiques communes des circuits intégrés : - D'un point de vue électrique, un circuit intégré est caractérisé par : Sa tension d'alimentation Sa puissance consommée Sa vitesse de commutation Sa protection interne contre les parasites externes Page 14 sur 21 - Ses paramètres relatifs aux règles d'association avec d'autres circuits, du même type ou non. 3.1. Les niveaux logiques Étant entendu que ces opérations logiques traitent des informations binaires (Tout Ou Rien), chaque état logique correspondra à une valeur de tension très précise. On distinguera : - L'état Haut (High), symbolisé par H - L'état Bas (Low), symbolisé par L Ces états H et L sont donc des niveaux de tension On définit, en réalité 4 niveaux de tensions : 2 pour l'entrée de l'opérateur, 2 pour sa sortie. 3.1.1. Tensions d'entrées (Input) VIL : Voltage Input Low. C'est la tension d'entrée, niveau bas, correspondante au niveau de tension nécessaire pour avoir un 0 logique en entrée. Toute tension supérieure à ce niveau ne sera pas considérée comme un état Bas par le circuit logique. VIH : Voltage Input High. C'est la tension d'entrée, niveau Haut, correspondante au niveau de tension nécessaire pour avoir un 1 logique en entrée. Toute tension inférieure à ce niveau ne sera pas considérée comme un état Haut par le circuit logique. 3.1.2. Tensions de sortie (Output) VOL : Voltage Output Low. C'est la tension de sortie, niveau Bas, correspondante au 0 logique, en sortie d'un circuit logique. La valeur maxi de V OL est généralement spécifiée. VOH : Voltage Output High. C'est la tension de sortie, niveau Haut, correspondante au 1 logique, en sortie d'un circuit logique. La valeur mini de V OH est généralement spécifiée. Remarques : Alimentation des circuits Technologie TTL : 5 V Technologie CMOS : de 3 à 15 V Les états, ou niveaux, sont caractérisés par des valeurs de tensions dont les limites sont précisées. ÉTAT 1 : Niveau Haut (High), présence de tension : H ÉTAT 0 : Niveau Bas (Low), absence de tension : L Page 15 sur 21 Exemple pour un circuit TTL porte NAND 5.0 ETAT HAUT 4.0 3.0 2.0 1.0 VIH=2V IH=16 m A VIL=0.8 V ETAT BAS VOH=2.4V Il=-1.6 m A VOL=0.4V 0.0 tension d'entrée Tension de sortie IH et IL sont les courants circulant entre 1 entrée en 1 sortie, compté positif lorsqu'il sort d'une porte. A partir de ces valeurs de courant, on peut déterminer la sortance d'un composant. La sortance est le nombre d'entrée de circuit logique qui peut être alimenté sur une seule sortie logique. Exemple : - de TTL vers TTL, la sortance est de 10 - De TTL vers HCTMOS, la sortance est théoriquement illimité, la limite est fixée par la vitesse de propagation. - de CMOS vers TTL, la sortance est nulle, on ne peut pas connecter un circuit CMOS vers un circuit TTL - De TTL vers CMOS, il n'y a pas de sortance, les portes sont incompatibles. Pour éviter une incompatibilité de portes, il faut un circuit intermédiaire pour pourvoir rendre ces portes compatibles. 3.2. Vitesse de commutation C'est le temps que met une information pour franchir un opérateur logique. On l'appelle aussi temps de propagation. Pour ces éléments logiques à circuits intégrés, ce temps est situé entre 2 et 100 ns 3.3. Immunité aux bruits On l'appelle aussi immunité aux parasites. Lorsqu'une tension parasite (indésirable) se superpose à un signal logique, elle peut perturber le fonctionnement des opérateurs logiques. A la conception, les circuits intégrés doivent donc être prévus pour résister à ces parasites, dans une certaine limite. Il existe une immunité aux bruits par état logique, noté VH pour l'état Haut et VL pour l'état Bas et sont donné par : VH = VOH – VIH et VL = VIL - VOL 3.4. Température de fonctionnement Page 16 sur 21 C'est la plage de température ambiante, donc externe au boîtier, dans laquelle un circuit intégré fonctionne normalement. Au niveau du transistor composant la portes, on peut atteindre des températures beaucoup plus élevé (> 180 °C). Ces températures sont indiquées selon 2 séries : - Série militaire : - 55 °C à + 125 °C - Série commerciale : 0 °C à + 70 °C 3.5. Consommation La consommation est différente, suivant que l'opérateur logique délivre un niveau Haut ou un niveau Bas. On prend la valeur moyenne. Exemple : en technologie TTL : 1 mW à 100 mW par porte. 4. Précautions d'emploi - Des circuits logiques, surtout les CMOS, peuvent être détruits par des tensions statiques, si on les manipule sans précaution. Il faut éviter, par exemple, les vêtements en nylon, le plastiques, ou toute autre source de charges statiques. - Toutes les entrées d'un opérateur logique doivent être connectées à un niveau de tension, afin d'éviter les défauts dus aux parasites. Si une entrée reste non connectée (patte en l'air), il faut la relier à une autre entrée de la même porte - En revanche, il ne faut jamais relier 2 sorties entre elle, puisque des différences d'état logique, et donc de tension, pourraient créer un court-circuit au niveau de ces sorties. 5. Opérateurs logiques CMOS 5.1. Précautions d'emploi Les circuits CMOS sont beaucoup plus sensibles à l'électricité statique et elles peuvent être détruites si on les manipule sans précaution. On doit relier les équipements à la terre ainsi que toutes les masses métalliques avec lesquelles ils peuvent être en contact. Ne jamais laisser une patte an l'air. Il faut relier les entrées inutilisées aux entrées employées ou à l'alimentation par l'intermédiaire d'une résistance élevée (> 10 k) 5.2. Avantages Les CMOS permettent une forte densité d'intégration, une très faible consommation, une bonne tenue au parasite. Ils sont pour la plupart compatible avec la logique TTL, et tout ce qui est de la logique TTL est transposable aux circuits CMOS. 6. Repérage et brochage des circuits intégrés logiques Page 17 sur 21 47 31 Le sens dans lequel il faut utiliser le circuit intégré est repéré par une encoche, un point ou un biseau dans le coin. Ces repères sont toujours placés à une extrémité du ……… 14 13 24 HEF 4001 B 1 2 3 ……… 1 3 12 15 circuit, généralement à gauche. Ainsi, en respectant ces règles, on doit, du même coup, pouvoir lire sur le dessus du circuit, sa référence. Sur un plan technologique, les circuits intégrés les plus courant ont : 6 (2 x 3) 8 (2 x 4) 14 (2 x 7) 16 (2 x 8) 24 (2 x 12) 28 (2 x 14) 40 (2 x 20) broches. Les dimensions du circuit sont normalisées, en fonction du nombre des broches. Quant à ces broches, elles sont distantes entre elles d'un écartement normalisé de 2.54 mm soi 1/10e de pouce. On appelle aussi cet écartement le pas. VCC Exemple d'une porte NAND en TTL A Y B GND Page 18 sur 21 Désignation 7400 4 x 2 ET-NON Q A.B. A & Q B A Q B L L H H A L H L H +VCC 14 1 & 2 4 5 9 10 12 13 7 Q H H H L B 7402 4 x 2 OU-NON Q B L L H H A L H L H Q H L L L Q B L L H H A L H L H Q L L L H Q B L L H H A L H L H Q L H H H Q A B. A 1 Q B A +VCC 14 1 1 2 4 5 9 10 12 13 7 +VCC 14 1 & 2 4 5 9 10 12 13 7 +VCC 14 1 1 2 4 5 9 10 12 13 7 +VCC 14 1 1 3 5 B 7408 4 x 2 ET Q A.B A & Q B A B 7432 4 x 2 OU QAB A 1 Q B A B 7404 6 NON A L H QA A Symbolisation simplifiée Table de vérité 1 Q A Q A.B C.D & C D & 9 11 13 Q 7451 2 x 2 ET-OU-NON A B Q H L 1 Q Brochage 3 6 9 & & & & 1 1 11 3 6 9 1 1 11 3 6 & & 9 & & 1 1 1 1 11 3 6 9 11 2 4 6 1 8 10 12 1 1 1 1 1 7 +VCC 14 A.B C.D Q L L H L H L H L L H H L 2 3 4 5 & 1 6 & & & 9 10 1 13 1 & 1 & 8 7 Page 19 sur 21 B 1 – AUTOMATIQUE ET INFORMATIQUE INDUSTRIELLE S.T.I. - G.E.T. CIRCUITS LOGIQUES INTÉGRÉS DOSSIER TRANSPARENT T.P. N° 1 CIRCUITS LOGIQUES INTÉGRÉS Objectif : Utiliser le traitement d'informations logiques Valider les outils de descriptions Valider le comportement réel d'un circuit intégré face à un problème logique posé Matériel : Documents : Aucun document autorisé Secteur : Salle de cours Nom, Prénom : Durée : 3 heures Classe, Groupe : Page 20 sur 21 Page 21 sur 21