technologie des circuits integres ttl - cmos - Sn-Bretagne

M HISETTE
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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
par cm2.

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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.
 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.
1.4 Compatibilité des niveaux logiques.
* Compatibilité au niveau haut : Il faut que VOHmin > VIHmin
* Compatibilité au niveau bas : Il faut que VILmax > VOlmax
Caractéristique
d’entrée
1
0
( Etat indéfini )
Vcc
VIHmin
VILmax
1
0
( Etat indéfini )
Vcc
1
0
VIHmin
( Etat indéfini )
VILmax
Vcc
Caractéristique
de sortie
VOHmin
VOLmax
0
VOHmin - VIHmin
1
0
( Etat indéfini )
Vcc
VOHmin
VILmax - VOLmax
VOLmax
Niveaux d’entrée circuit 2
Niveaux de sortie circuit 1
0
0

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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.
* tPHL: Temps de propagation du niveau haut au niveau bas.
* tPLH: Temps de propagation du niveau bas au niveau haut.
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.
* 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 - )
IO
S
tPLH
tPHL
Entrée
Sortie
50%
t
tPD = (tPHL + tPLH ) / 2
X
X
X
X
II
II
II
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

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Niveaux Logiques d ’une porte logique TTL (LS)
Plusieurs technologies :
TTL standard (n ’est plus utilisée) 74 00
TTL Low Power 74 L 00
TTL Schottky (Rapide) 74 S 00
TTL Low Power Schottky 74 LS 00
TTL Advanced Schottky 74 AS 00
TTL Advanced Low Power Schottky 74 ALS00
Caractéristiques de fonctionnement :
Gamme d’alimentation : 5 V +/- 5%.
Gamme de température : de 0 °C à + 70 °C.
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)
Faible immunité aux bruits.
Caractéristique d ’Entrée/Sortie d’un inverseur
PORTES LOGIQUES TTL Transistor Transistor Logique
Fiche de référence
N°7
V
O
V
I
VCC
VOH
0
VCC
VOL
VIL
VIH
&
74 LS
00
V
I
V
O
ENTREE
SORTIE
V
O
VOH mini
VOL maxi
VCC
0 V
0,5 V
2,7 V
5 V
Niveau ‘ 0 ’
Niveau ‘ 1 ’
Niveau
indéterminé
V
I
VIH mini
VIL maxi
VCC
0 V
0,7 V
2 V
5 V
Niveau ‘ 0 ’
Niveau ‘ 1 ’
Niveau
indéterminé
Sortie à collecteur ouvert (Open collector
output)
Sortie 3 états (3-state
output)
Symbole
Symbole
V
O
To
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
O
La sortie est
équivalente
à un
interrupteur.
V
O
T1
T2
+5V
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:
EN T1 T2 Etat
1 Passant Bloqué Haut
1 Bloqué Passant Bas
0 Bloqué Bloqué Haute impédance (Sortie ‘ en l ’air ’).

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5
Rs
RG
VDD
VOH
IOH
RS
VOL
IOL
CG
VIH
IIN
RG
CG
VIL
IIN
ENTREE
SORTIE
Modélisation de l’entrée et de la sortie d’une porte logique CMOS
Etat logique ‘ 1 ’
Etat logique ‘ 1 ’
Etat logique ‘ 0 ’
Etat logique ‘ 0 ’
GRANDEURS
CARACTERISTIQUES :
VOH : Tension de sortie à l ’état haut.
VOL : Tension de sortie à l ’état bas.
VIH : Tension d ’entrée à l ’état haut.
VIL : Tension d ’entrée à l ’état bas.
IOH : Courant de sortie à l ’état haut.
IOL : Courant de sortie à l ’état bas.
IIN : Courant d ’entrée.
RS = environ 300 
RG = plusieurs M
CG = environ 50 pF
V
O
V
I
VDD
VDD
VDD / 2
0
Plusieurs technologies :
Série 4000 :
40 00 B (sorties bufférisées : amplifiées)
40 00 UB (sorties non-bufférisées)
Série 74 :
74 C 00 (identique à la série 4000)
74 HC 00 (High-speed CMOS : CMOS rapides)
Caractéristiques de fonctionnement :
Gamme d’alimentation : de 3 V à 15 V.
Gamme de température : de – 40 °C à + 85 °C.
Puissance dissipée : environ 10 nW par porte.
Fréquence de fonctionnement : jusqu’à 12 MHz.
Sortance : jusqu’à 50 (série 4000B).
(Nombre d’entrées que l’on peut relier à une sortie de porte)
Excellente immunité aux bruits.
Caractéristique d ’Entrée/Sortie d’un inverseur
PORTES LOGIQUES CMOS
Fiche de référence
1
V
I
V
O