CIRCUITS INTÉGRÉS NUMÉRIQUES

CIRCUITS
INTÉGRÉS
NUMÉRIQUES
Introduction

Systèmes linéaires
 les
variables d'entrées et sorties sont continues et
s'expriment analytiquement,
 les relations entrées/sorties sont définies par des
équations différentielles ou par leurs transformées.

Systèmes numériques
 les
variables sont discontinues et
 ces fonctions de transfert ne s'expriment plus en
termes de temps ou de fréquences, mais sous forme
de tables ou de relations booléennes.
Électronique linéaire

Les images des grandeurs physiques récupérées
en sortie des capteurs sont analogiques.

Longtemps, elles ont été récupérées et traitées
comme telles et elles le restent encore dans
certains systèmes (télévision pour quelques
temps encore).

Ce type de signal pose de nombreux problèmes :
 conception
 sensibilité
 stockage
des systèmes délicate,
au bruit,
d'information moins performant….
Électronique numérique

Permet d'atténuer nombre de ces inconvénients :
 les
valeurs des signaux étant quantifiées, ils sont
moins sensibles au bruit (transmissions),
 le
stockage d'informations est plus simple et plus fiable,
 on
peut réaliser ou programmer des séquences
évoluées complexes et
 l'intégration
des composants est bien plus grande
qu'en analogique (on n'a plus à intégrer des
inductances ou des capacités notamment…)
Fonctions logiques élémentaires

Ces circuits effectuent sur ces signaux les
opérations de base de l'algèbre de Boole:
 opérations

ET, OU et Complément.
A ces opérations de base on ajoute en général
les fonctions incluant une inversion :
 NAND
, NOR ainsi que le OU Exclusif XOR .
Le "ou" logique (OR)

x = A+B
Le "et" logique (AND)

x=A.B
L'inverseur logique

x = /A
L'opération "non ou" (NOR)

x = /(A+B)
L'opération "non et" (NAND)

x = /(A+B)
L'opération "ou exclusif" (exclusive
OR ou XOR)

x = AB = A./B + /A.B
Caractéristiques des portes logiques

VIHmin - tension d'entrée niveau haut:


VILmax - tension d'entrée niveau bas:




le niveau de tension nécessaire pour avoir un 1 logique en
entrée
le niveau de tension nécessaire pour avoir un niveau 0 en entrée
VOHmin - tension de sortie niveau haut
VOLmax - tension de sortie niveau bas
Sortance:
Un circuit logique sert à commander d'autres circuits logiques
 La sortance correspond au nombre maximal d'entrées qui
peuvent être pilotées sans risques par le circuit.


Temps de propagation
Différentes familles

TTL (début en 1964 Texas Instruments).
 niveaux

de tension 0 et +5V, tpLH=11ns ; tpHL=7ns
La famille ECL : logique à émetteurs couplés
(développée essentiellement par MOTOROLA)
 vitesse
de commutation plus rapide que pour les TTL
ce qui conduit à des temps de propagation de l'ordre
de 2ns.
Différentes familles


La famille MOS

commutations plus lentes, en raison de résistances de
sortie élevées et d'entrées fortement capacitives

impédances d'entrée très élevées => des sortances
quasiment illimitées

consomment moins d'énergie
Les familles CMOS

plus rapides (résistance de sortie plus faible)

consomment moins d'énergie que les autres circuits MOS

sortance est limitée car chaque entrée connectée
augmente les temps de commutation (effets capacitifs)
L’inverseur CMOS
L’inverseur CMOS

deux MOS à canal induit N et P


le MOS N - directement dans le substrat P,
le MOS P - dans une inclusion N appelée
caisson d'isolement
CMOS : inverseur presque parfait
de consommation nulle

Niveau 0 à l'entrée in .
MOS N dont la tension grille est nulle est bloqué
 MOS P dont la source est au +5V a une tension VGS
de -5V , il est conducteur
 Tout se passe comme si la sortie était reliée au +5V
via la résistance ronP du MOS P .
 La sortie est au niveau logique 1 .


Niveau d'entrée 5V
MOS N est conducteur
MOS P dont grille et source sont au même potentiel
est bloqué.
 La sortie est reliée à la masse par la résistance ronN
du MOS N.
 Le niveau de sortie est 0.


Paramètres principaux d’un
inverseur CMOS

La caractéristique de transfert

La transition haut - bas se produit
très brutalement pour une tension
d'entrée voisine de Vcc/2 .

Les entrées CMOS non utilisées ne doivent jamais rester
libres (on doit les forcer à un potentiel quelconque), car
des signaux parasites suffisent à polariser des
transistors et à les rendre passants.
Tension d’alimentation

Famille 4000 - la première famille CMOS , mise sur le
marché en 1973 par RCA , CD4xxx, Vcc entre 3 et 18V


peu performants, leur temps de transit étant supérieur à 100ns.
Famille 74C (NATIONAL SEMICONDUCTORS) - de
performances identiques mais dont le brochage est le
même que celui des boîtiers de la famille 74xx (TTL).

Famille 74HC : Vcc entre 4,5 et
6V; transition à Vcc/2

Famille 74HCT : 5V + 10% ;
transition à 1,5V
Gabarit

Un niveau logique correspond à une plage de
tensions :
 le
niveau logique 1 (entre Vcc et une limite inférieure
à Vcc)
 le niveau 0 (de 0 V à une limite supérieure)

Gabarit de transfert
La tension de
basculement, VT
(threshold, seuil),
correspond à la tension
d’entrée pour laquelle la
sortie change d’état.
Immunité aux bruits

Bruit : variation intempestive (ou aléatoire) d’une
grandeur physique autour de la valeur déterminée
(permanente, attendue ou nominale).

L’immunité au bruit est la marge de sécurité que l’on
peut observer sans provoquer un changement d’état
logique non désiré :


c’est l’amplitude maximale du signal parasite à superposer au
signal d’entrée pour provoquer un changement d’état en sortie.
Dans le cas le plus défavorable, l’immunité au bruit est

au niveau logique haut VOHmin-VIHmin

au niveau logique bas VILmax-VOLmax
Caractéristiques temporelles


TpHL : temps de propagation du signal logique lorsque la
sortie passe de l’état haut à l’état bas – front descendant
(Propagation Time High to Low).
TpLH : temps de propagation du signal logique lorsque la
sortie passe de l’état bas à l’état haut - front montant
(Propagation Time Low to High).
Retard porte inverseuse
Retard porte non inverseuse
Puissances mises en jeu dans le
fonctionnement d’un circuit logique
En réalité la consommation n'est nulle qu'à la fréquence zéro.

Lorsque le niveau de sortie monte à +5V le
condensateur parasite de sortie se charge, il se
décharge lorsque la sortie revient au niveau bas .

Ainsi pour un signal rectangulaire en sortie une
charge CVcc est transférée du +5V au zéro à
chaque période .

Ce qui équivaut à un courant i =CVccf ou f est la
fréquence de travail.
La consommation d'une porte CMOS augmente donc avec
la fréquence à laquelle elle commute.
Puissance

P = Pstatique + Pcommutation

Pstatique : très faible qq mW => ≈ 0

P = k C Vcc2 f
k – facteur technologique ≈ 1
C – capacité de charge de sortie, dépend de la sortance
(fanout)
Vcc – tension d’alimentation
f –fréquence de travail (clock frequency)