Caractéristiques générales des circuits intégrés

Caractéristiques générales des circuits intégrés
Adrian Daerr [email protected]
2016 / 2017
Électronique numérique L3 EIDD 1A
Introduction
Important de connaı̂tre les caractéristiques des circuits
Différences de comportement portes réelles ↔ portes idéales
I
I
I
Délai entre changement des entrées et mise à jour de la sortie
(délai de propagation)
Bruit dans un circuit électronique peut réduire la fiabilité
Limites de puissance
une sortie ne peut fournir de signal à plus de N
entrées
∃ différentes familles de circuits
⇒ il faut choisir l’une à la conception
I
I
Différents avantages et inconvénients (ex.: vitesse, consommation, . . .)
Interfacer différentes familles est source de problèmes . . .
Gammes différentes de tension d’alimentation
Codage incompatible des niveaux logiques H / L
(ex: intervalles de tensions différents)
I
. . .mais intéressant (ex: partie critique rapide et énergievore, périphérie
plus lente et économe)
Électronique 1 (cours 3)
Introduction | Technologies | Spécifications
2 / 27
Introduction
Exemple: conséquence du délai de propagation
a
a
b
c
&1
z
&2
Q
H
H
b
...
L
...
H
c
Q
L
H
H
H
Passage (a, b, c) = (H, H, H) à (H, L, L) :
Chronographe
a H
L
b H
L
c H
L
H
z
L
H
Q
L
Électronique 1 (cours 3)
t
t
delai de propagation d’une porte
t
t
t
Introduction | Technologies | Spécifications
Q ne devrait pas
changer d’état !
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Introduction
Exemple 2: effet d’un bruit électrique
a
F
Signal bruité à l’entrée d’un inverseur:
1
0.75
niveau de bascule 0 ↔ 1
0.5
0.25
0
0
1
2
3
Électronique 1 (cours 3)
4
5 6
temps
7
8
9 10
Introduction | Technologies | Spécifications
4 / 27
Introduction
Plan du cours
Technologies principales et leurs caractéristiques
Lire les données des fabricants
leadsto paramètres importants d’un circuit intégré
I
I
I
I
Seuils de dommages irréversibles
Paramètres conseillés de fonctionnement
Tolérances sur les entrées/sorties
Comportement dynamique: temps de propagation
Circuits d’entrée/sortie particuliers
Électronique 1 (cours 3)
Introduction | Technologies | Spécifications
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Technologies
Survol des technologies principales
DTL (Diode-Transistor-Logic)
V+
V+
R1
D1
A
R2
Q
Q
R3
A
B
Q1
B
D2
TTL (Transistor-Transistor-Logic)
Vcc
R4
GND
V−
ECL (Emitter-Coupled-Logic)
Differential-amplifier
input and logic section
Internal temperature and
voltage compensated
bias network section
(one supplies several
differential amplifiers)
Emitter-follower
output section
VCC2 0 V
220
Transistors
bipolaires en mode
saturé
Vdd
Vdd
VCC1 0 V
907
245
CMOS (Complementary
Metal-Oxide-Semiconductor)
A
B
Q5
A+B
Out
Q6
~(A+B)
Q4
Q1
A
Q2
Q3
B
50 k
50 k
779
A
–1.29 V
at 25°C
6.1 k
VEE -5.2 V
Électronique 1 (cours 3)
4.98 k
MECL 10K series
2-input OR/NOR
Transistors FET
B
Vss
Introduction | Technologies | Spécifications
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Technologies
Transistors bipolaires vs transistors à effet de champ
Bipoloar junction transistor
++
p
n
E
iE
iE
iEn
iEp
Field Effect Transistor
n+
iC
electrons
holes
iB1
iB2
recombination
Oxide
Source
Gate
iC
x
n+
iB
n+
p L
B
vBE
Drain
C
vCB
Body
Amplification (100 à 1000 fois) du
courant (ICE /IBE ).
Utilisation en mode linéaire (ECL)
ou saturé (TTL).
Électronique 1 (cours 3)
Base (gate) isolée du substrat
⇒ pas de courant continu
Circuits et mémoires qui
consomment très peu en statique
Introduction | Technologies | Spécifications
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Technologies
Survol des technologies principales
DTL (Diode-Transistor-Logic) , Rapidement éliminée en faveur du TTL
(plus rapide)
TTL (Transistor-Transistor-Logic) (Vcc = 5 V, H=5 V, L=0 V) Meilleur
compromis vitesse / consommation avant l’apparition du
CMOS
ECL (Emitter-Coupled-Logic) Consommation importante, mais très rapide
(encore utilisé en RF, communications rapides ∼ Gbit/s);
maintenant variantes à FET (Source Coupled Logic)
CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) (Vcc =3 V à 18 V,
H=Vcc , L=0 V)Très basse consommation, initialement plus
lente que le TTL, mais a fortement progressé; technologie
actuellement dominante
Électronique 1 (cours 3)
Introduction | Technologies | Spécifications
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Technologies
puissance/porte (@1 MHz) / mW
Comparaison de différentes technologies
100
1985
ECL III
ECL 100K
ECL
TTL
CMOS
74S 74H
10
1980
74
74AS
1975
74F
74ALS
1
74AC/ACT
1
Électronique 1 (cours 3)
74LS 4000B/74C
74HC/HCT
1970
74L
10
delai de propagation / ns
Introduction | Technologies | Spécifications
100
1965
année
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Spécifications
Lire les spécifications des fabricants
1. Seuils de dommages irréversibles (anglais: “Absolute maximum ratings”)
2. Conditions d’opération normale (anglais: “Recommended operating conditions”)
Exemple extrait d’une fiche 74AC(T)04
Alimenter le circuit en mauvaise polarité est fatal!
Tensions sur toutes les entrées doivent rester dans l’intervalle
[0 V, Vcc ] (dépassement de 0.5 V
mort du circuit)
Large gamme de tensions pour le CMOS (2 V à 6 V): parfait pour
fonctionnement sur batterie.
Gamme fortement réduite en compatibilité TTL (version ACT).
Électronique 1 (cours 3)
Introduction | Technologies | Spécifications
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Spécifications
Lire les spécifications des fabricants
3. Tolérances sur les niveaux d’entrées/sorties
Caractéristiques statiques (anglais: “DC”: courant continu)
Électronique 1 (cours 3)
Introduction | Technologies | Spécifications
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Spécifications
Lire les spécifications des fabricants
3. Tolérances sur les niveaux d’entrées/sorties
Les caractéristiques varient légèrement d’un composant au suivant
(aléa de fabrication)
la fiche indique une valeur typique, et une
limite garantie pour tous les composants.
Pour être interprêté comme 0 logique, la tension doit être comprise
entre 0 V et 0.8 V. Pour un 1 logique, VIH > 2.0 V .
En sortie, on est à moins de 0.1 V de saturation,
sauf si le circuit branché sur la sortie fait couler un courant important:
alors la tension baisse (H → 3.76 V) ou augmente (L → 0.44 V) (on
reste néanmoins au bon niveau logique)
Électronique 1 (cours 3)
Introduction | Technologies | Spécifications
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Spécifications
Lire les spécifications des fabricants
3. Tolérances sur les niveaux d’entrées/sorties
Que nous enseignent ces valeurs sur la
Tolérance au bruit ?
VO
VI
Dans des conditions extrèmes, la sortie d’un 74AC04 (Vcc = 4.5 V) vaut
VO =3.76 V (H) ou 0.44 V (L). La porte suivante interprête VI ≥2.0 V
comme 1(H) logique et ≤0.8 V comme 0(L). Tout va bien (sans bruit!).
Quelle est la robustesse au bruit ?
Pour le niveau H l’écart est de 1.76 V
Pour le niveau L l’écart est de 0.36 V
Un bruit supérieur à 0.36 V risque de produire de faux niveaux logiques.
Un bruit supérieur à 1.56 V produira certainement un faux résultat
(pourquoi ?).
Électronique 1 (cours 3)
Introduction | Technologies | Spécifications
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Spécifications
Lire les spécifications des fabricants
3. Tolérances sur les niveaux d’entrées/sorties
Les mêmes caractéristiques statiques, mais pour la version CMOS
Électronique 1 (cours 3)
Introduction | Technologies | Spécifications
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Spécifications
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3. Tolérances sur les niveaux d’entrées/sorties
Seuils dépendent de la tension d’alimentation
À même Vcc =5.5 V, seuils différents de la version TTL !
(comparer: VIH =2.0 V et VIL =0.8 V (ACT) à
VIH =3.85 V et VIL =1.85 V (AC))
⇒ Un circuit CMOS peut interprêter différemment un signal ambigu
(2.5 V → garanti H pour l’ACT, typiquement L pour AC).
Électronique 1 (cours 3)
Introduction | Technologies | Spécifications
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Spécifications
Paramètres typiques de quelques familles de circuits
CMOS (séries T visent compatibilité avec les circuits TTL)
Paramètre
VIH (min)
VOH (min)
VIL (max)
VOL (max)
IIH (max)
IIL (max)
IOH (max)
IOL (max)
TProp (max)
Électronique 1 (cours 3)
74C
74HC
3.5 V
4.5 V
1.5 V
0.5 V
1.0 V
0.4 mA
0.4 mA
50 ns
4.0 mA
4.0 mA
8 ns
74AC
74HCT 74ACT
2.0 V
4.9 V
1.5 V
0.8 V
0.1 V
1 µA
1 µA
24 mA 4.0 mA 24 mA
24 mA 4.0 mA 24 mA
4.7 ns
8 ns
4.7 ns
Introduction | Technologies | Spécifications
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Spécifications
Lire les spécifications des fabricants
3bis. Entrance et Sortance (“fan-in” et “fan-out”)
Charge unitaire courant de commande d’une entrée de la porte
élémentaire de la famille logique considérée
Entrance E courant de commande maximum d’une entrée exprimée en
charge unitaire (l’entrée consomme un courant équivalent à
E portes élémentaires en parallèle)
Exemple: TTL-N
porte de base: IIH = 40 µA, IIH = −1.6 mA,
CI au hasard: IIH = 400 µA, IIH = −8 mA,
Rightarrow Entrance au niveau haut: 10
Rightarrow Entrance au niveau bas: 5
Rightarrow Entrance maximale du CI: 10
Électronique 1 (cours 3)
Introduction | Technologies | Spécifications
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Spécifications
Lire les spécifications des fabricants
3bis. Entrance et Sortance (“fan-in” et “fan-out”)
Sortance S courant maximum qu’une porte peut fournir (normalisé par
celui d’une porte élémentaire)
la sortie ne peut alimenter qu’au plus S portes unitaires
en parallèles
Exemple: TTL-N
porte de base: IIH = 40 µA, IIH = −1.6 mA,
CI au hasard: IIH = 400 µA, IIH = −20 mA,
Rightarrow Sortance au niveau haut: 10
Rightarrow Sortance au niveau bas: 12.5
Rightarrow Sortance minimale du CI: 10
Électronique 1 (cours 3)
Introduction | Technologies | Spécifications
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Spécifications
Entrance et Sortance: implications pour la conception
⇒ sur chaque équipotentielle, il faut que
X
X
SH >
EH
∧
SL >
EL
Sinon:
Les courants maximums sont dépassés
Les tensions ne sont plus dans les intervalles garantis
Pannes sporadiques très complexes à identifier et résoudre
Électronique 1 (cours 3)
Introduction | Technologies | Spécifications
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Spécifications
Lire les spécifications des fabricants
4. Comportement dynamique: délais
Durée d’évolution
Temps de changement de tension de sortie pour un basculement logique
(tempse de montée, temps de descente). Symboliquement:
H
90%
90%
10%
10%
tf
tr
L
Propagation le l’information à travers la porte
Temps entre l’évolution d’une entrée et l’évolution correspondante d’une
sortie.
Entrée
50%
tpLH
tpHL
50%
Électronique 1 (cours 3)
Introduction | Technologies | Spécifications
20 / 27
Spécifications
Lire les spécifications des fabricants
4. Comportement dynamique: délais
Caractéristiques dynamiques (anglais: “AC”: courant alterné)
Temps de propagation tpLH et tpHL presque pareils.
Légèrement plus rapide à tension d’alimentation plus grande.
Électronique 1 (cours 3)
Introduction | Technologies | Spécifications
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Spécifications
Caractéristiques électriques dynamiques
Puissance consommée
Règle générale: puissance consommée par un CI augmente avec la
fréquence des signaux.
Courants par des connexions transitoires lors du passage 1 → 0 et
0 → 1.
Charge et décharge des capacités d’entrée des autres circuits.
Cas des CMOS: P ∝ U 2 f (constante de proportionnalité dépent du circuit,
de la technologie.
Électronique 1 (cours 3)
Introduction | Technologies | Spécifications
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Spécifications
Caractéristiques électriques dynamiques
Immunité dynamique au bruit
Perturbation lente: acceptable si inférieure à l’immunité statique (voir
plus haut: tolérance au bruit)
Perturbation rapide (de l’odre du temps de propagation): acceptable
si inférieure à l’immunité dynamique
Immunité dynamique ¿ immunité statique
(des impulsions parasitaires vont être d’autant plus lissées qu’elles
sont courtes)
Très rarement documenté par les fabricants. . .
Électronique 1 (cours 3)
Introduction | Technologies | Spécifications
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Circuits d’entrée/sortie particuliers
Circuits d’entrée/sortie particuliers
Entrée trigger de Schmitt
En présence de fluctuations / de bruit, risque d’oscillation de la sortie:
1
0.75
0.5
0.25
0
niveau de bascule 0 ↔ 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 910
temps
Introduction d’une hystèrese: seuil de retour éloigné du seuil aller
1
0.75
0.5
0.25
0
niveau de bascule 1 → 0
niveau de bascule 0 → 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 910
temps
Symboles:
E
Électronique 1 (cours 3)
S
E
E1
S E2
Introduction | Technologies | Spécifications
S
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Circuits d’entrée/sortie particuliers
Circuits d’entrée/sortie particuliers
Sortie collecteur ouvert
Technologie TTL: collecteur de sortie non relié en interne
Utilité:
I
I
I
E
Ajouter la charge la mieux adaptée à l’application
Adaptation de niveau logique
Réalisation d’un and cablé en sortie
S
Électronique 1 (cours 3)
Introduction | Technologies | Spécifications
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Circuits d’entrée/sortie particuliers
Circuits d’entrée/sortie particuliers
Sortie trois états
Troisième état: haute impédeance
I
I
Comme si déconnecté
Anglais: tri-state ou Hi-Z
Requière une entrée supplémentaire pour mettre la sortie dans cet état
Utilité: Bus de communication
I
I
Sorties de plusieurs circuits interconnectées
Tous les circuits en état de haute impédance (comme absents), sauf au
plus 1 qui s’approprie la sortie (appelé le bus).
EN
E
Électronique 1 (cours 3)
S
EN
0
0
1
1
Introduction | Technologies | Spécifications
E
0
1
0
1
S
High-Z
High-Z
0
0
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Circuits d’entrée/sortie particuliers
Fin du troisième cours
Prochain épisode (quatrième cours) dans quelques instants !
Quinze minutes de pause!
Électronique 1 (cours 3)
Introduction | Technologies | Spécifications
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