Cas d`un inverseur TTL

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Caractéristiques des Circuits Intégrés Numériques
Technologie TTL - Série 74 (Transistor Transistor Logic)
Ou
logique à transistor bipolaires
Dans cette série, il existe 7 grandes familles :
TTL standard 74 x x TTL low power schottky 74 L S x x
TTL low power 74 L x x TTL advanced schottky 74 A S x x
TTL schottky 74 S x x TTL advanced low power schottky 74 A L S x x
TTL fast 74 F x x
Code de désignation :
Exemple : SN 74 LS 020 N
Pour un même numéro de type de circuit, la fonction et le brochage sont identiques.
En général, c’est la vitesse (temps de propagation interne du signal) ou la puissance
dissipée qui déterminent le choix d’une famille.
2
V
NL
V
NH
V
ILmax
V
IHmin
V
OLmax
V
OHmin
état logique 1
état logique 0
bande
indéterminé
tension
état logique 1
état logique 0
bande
indéterminé
gammes des tensions en sortie exigences des tensions en entrée
Paramètres tensions
V
IHmin
: tension d’entrée niveau haut
Niveau de tension nécessaire pour avoir un 1 logique en entrée d’un circuit
logique
Toute tension inférieure à ce niveau n’est pas considérée comme un état 1 (haut)
V
ILmax
: tension d ‘entrée niveau bas
Niveau de tension nécessaire pour avoir un 0 logique en entrée
Toute tension supérieure à ce niveau n’est pas considérée comme un état 0 (bas)
V
OHmin
: tension de sortie niveau haut
Niveau minimal de tension en sortie d’un circuit logique correspondant à l’état
logique 1
V
OLmax
: tension de sortie niveau bas
Niveau maximal de tension en sortie correspondant à l’état logique 0
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Cas d'un inverseur TTL
Structure de base
Si E = Vcc  transistor saturé  S ≈ 0
Si E = 0  transistor bloqué  S ≈ +Vcc
Caractéristique de transfert
V
CC
R
C
R
B
E
S
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Sorties d’un circuit logique
Sortie normale (type totem-pôle)
Une sortie "totem-pole" est une sortie qui est capable de
fournir les niveaux 0L et 1L.
Il est interdit, sous peine de court-circuit entre alimentation
et masse, de relier ces sorties entre elles.
Toutefois, si l'on souhaite augmenter la sortance d'une
fonction, il est possible de connecter des sorties entre elles,
à condition qu'elles fournissent chacune le même signal de
sortie.
Dans le cas présenté ici, les états de sortie (0L ou 1L) sont
obtenus par mise en conduction de T2 ou T3.
Sortie collecteur ouvert
Une sortie "collecteur ouvert" n'est capable de fournir que
le niveau 0L ... et rien d'autre.
Le niveau 1L est fourni par une résistance externe dite
résistance de rappel ou de "pull-up" (de l’ordre de 1 kΩ à
10 kΩ).
Ces sorties peuvent être connectées entre elles et à une
résistance de rappel afin de réaliser des fonctions
- "ET câblé" et "OU câblé"
- d'interfaçage (passage d'un niveau logique à un autre)
- de multiplexage d'informations et des connexions à un bus
Le montage à collecteur ouvert, même en utilisant une résistance minimale, est beaucoup
plus lent que les sorties TTL en totem-pôle. Il ne faut pas utiliser ces circuits dans les
applications où la rapidité de commutation est un paramètre essentiel.
Une valeur de R faible offrira un temps de montée plus court, au détriment d'une plus
grande consommation

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Sortie trois états (3-state output)
Une sortie "trois états" (three state) ou "3S" est une sortie qui est
capable de fournir
- le niveau logique "0"
- le niveau logique "1"
... et un état haute impédance qui permet la déconnexion,
l'isolement de cette sortie du reste du système (T2 et T3 bloqués)
Les sorties "trois états" sont faites pour être connectées entre elles
sans résistance de "pull-up". Elles ont des temps de montée et de
descente rapides et permettent les connexions à un bus de données
ou d'adresses..., ce qui revient à un multiplexage temporel de ces
signaux
Cas des entrées non utilisées en logique TTL :
Une entrée non connectée (en l'air) est à l'état haut.
Il est toutefois conseillé de ne pas laisser une entrée en l'air, car elle devient sensible aux
bruits.
Dans la mesure du possible, elle doit être reliée à Vcc.
On peut aussi la relier à une entrée utilisée ou à la masse, mais ceci augmente la
consommation du circuit.
Ne jamais réunir deux sorties normales ensemble, risque de court-circuit !
Seules les sorties à collecteurs ouverts
peuvent être reliées ensemble.
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Paramètres courants
I
IH
: courant d’entrée niveau haut (courant entrant)
Courant qui traverse une borne d’entrée quand une tension niveau haut est appliquée
à cette entrée
I
IL
: courant d’entrée niveau bas (courant sortant)
Courant qui traverse une borne d’entrée quand une tension niveau bas est appliquée
à cette entrée
I
OH
: courant de sortie niveau haut (courant sortant)
Courant qui traverse une borne de sortie placée au niveau 1 dans des conditions de
charge spécifiées
I
OL
: courant de sortie niveau bas (courant entrant)
Courant qui traverse une borne de sortie placée au niveau 0 dans des conditions de
charge spécifiées
I
IL
I
IL
I
IL
I
OL
Etat bas
I
IH
I
IH
I
IH
I
OH
Etat haut
V
CC
R
C
R
B
E
S
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V
NL
V
NH
V
ILmax
V
IHmin
V
OLmax
V
OHmin
état logique 1
état logique 0
bande
indéterminé
tension
état logique 1
état logique 0
bande
indéterminé
gammes des tensions en sortie exigences des tensions en entrée
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Immunité aux bruits
L’immunité aux bruits d’un circuit logique définit l’aptitude du circuit à tolérer des
tensions parasites sur ses entrées. La mesure quantitative de l’immunité aux bruits est
appelée la marge de bruit (noise margin).
La marge de bruit à l’état haut VNH est définie comme : V
NH
= V
OHmin
- V
IHmin
La marge de bruit à l’état bas VNL est définie comme : V
NL
= V
ILmax
- V
OLmax
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t
PHL
entrée
sortie
t
PLH
Temps de propagation (ou retards de propagation)
Un signal logique qui traverse un circuit subit toujours un retard.
Deux retards de propagation sont définis :
t
PLH
: retard pour passer du niveau BAS au niveau HAUT
t
PHL
: retard pour passer du niveau HAUT au niveau BAS
Les retards sont mesurés entre les points à mi-hauteur des transitions d’entrée et de sortie.
Exemple d’un inverseur :
Généralement, t
PHL
et t
PLH
sont différents et varient tous les deux selon les conditions de
charge.
Ces temps de propagation servent généralement de mesure pour la vitesse relative des
circuits logiques.
Consommation
Tous les CI en fonctionnement consomment une certaine quantité d’énergie électrique.
Cette énergie est délivrée par une ou plusieurs tensions d’alimentation raccordées aux
broches d’alimentation du boîtier. Généralement il n’y a qu’une borne d’alimentation par
boîtier, appelé V
CC
(pour les TTL) ou V
DD
(pour les MOS).
Si I
CC
est le courant absorbé par le CI, alors la puissance réelle consommée P
D
est le
produit I
CC
x V
CC
.
En général, I
CC
varie selon les états du circuit.
On définit I
CCH
lorsque toutes les sorties sont à 1, et I
CCL
lorsque toutes les sorties sont à 0.
Alors I
CCmoy
=
2
II
CCLCCH
+
ET P
Dmoy
= I
CCmoy
x V
CC

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Sortance, Entrance
Normalement, la sortie d’un circuit logique doit piloter plusieurs entrées logiques.
Lors des associations de circuits, la somme des courants d’entrée ne doit pas être
supérieure au courant de sortie du circuit qui les commande.
La sortance (fan out) est le nombre maximal d’entrées que l’on peut connecter à une
sortie.
Elle s’exprime en Unité de charge Logique (U.L.).
La définition d’une charge unitaire est la suivante : 40 µ
µµ
µA à l’état HAUT et 1,6 mA à
l’état BAS.
Ces valeurs correspondent à la série TTL standard. Autrement dit, le courant maximal qui
entre par une entrée TTL standard dans l’état HAUT est I
IHmax
= 40 µA, et le courant
maximal qui quitte une entrée TTL standard dans l’état BAS est I
ILmax
= 1,6 mA.
Sortance à l’état bas =
mA 1,6
I
I
I
maxOL
maxIL
maxOL
= (en U.L.)
Sortance à l’état haut =
A 40
I
I
I
maxOH
maxIH
maxOH
µ
= (en U.L.)
Même si ces facteurs de charge sont ceux de la série standard, on les utilise quand même
pour exprimer les exigences d’entrée et les capacités d’attaque de la sortie de toutes les
séries TTL.
Entrance (fan in) :
Entrance à l’état bas =
mA 1,6
I
maxIL
(en U.L.)
Entrance à l’état haut =
A 40
I
maxIH
µ
(en U.L.)
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Comparaison des paramètres de différentes familles de logique TTL
Tension d’alimentation = 5 V
Température ambiante = 25 °C
Capacité de charge = 15 pF
TTL CMOS
74 74L 74F 74S
74AS
74LS
74ALS
74HC 4000B
V
OHmin
2,4 v
2,4
v
2,4 v
2,7 v
2,7 v
2,7 v
2,7 v
V
IHmin
2 v 2 v 2 v 2 v 2 v 2 v 2 v
V
OLmax
0,4 v
0,3
v
0,4 v
0,5 v
0,5 v
0,5 v
0,5 v
V
ILmax
0,8 v
0,8
v
0,8 v
0,8 v
0,8 v
0,8 v
0,8 v
Retard de
propagation
10
ns
33
ns
6 ns 3 ns 1,5
ns
9,5
ns
4 ns 7 ns 40 ns
Consommation 10
mW
1
mW
22
mW
19
mW
20
mW
2
mW
1 mW
<< <<
Marge de bruit
à l’état haut
à l’état bas
Sortance 40 20 50 50 50 20 20 10 2
Première génération
- 74 : normale ou standard, la première introduite sur le marché
- 74L : low power, faible consommation, applications lentes
- 74F : high speed, vitesse de commutation élevée
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Deuxième génération
les transistors ne fonctionnent plus en saturation grâce aux diodes Schottky (faible seuil
0,25v) placées entre base et collecteur, ce qui réduit les temps de commutation.
- 74S: applications rapides
- 74LS : destinée à remplacer la série normale
Troisième génération
améliorations par réduction des capacités de jonction.
- 74AS : advanced Schottky ou F ( Fairchild advanced Schottky technology)
- 74ALS : advanced low power Schottky
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Série 4000 – CIRCUITS INTÉGRÉS CMOS
Principe : utilisation des transistors CMOS (PMOS ET NMOS)
Caractéristique de transfert d'un inverseur CMOS

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CMOS : Série 4000
Les circuits CMOS (série 4000) sont moins rapides que les circuits TTL mais ils ont une
consommation beaucoup moins importante.
A l'heure actuelle, ces différences tendent à s'estomper puisqu'on fabrique des TTL à faible
consommation et des CMOS rapides.
Entrées inutilisées :
Les entrées CMOS ne doivent jamais rester non branchées, mais raccordées au 0 V, au
VDD, à une autre entrée utilisée ou mises à la masse ou à VDD à travers une résistance.
En effet, une entrée non connectée capte les signaux parasites, ce qui peut se traduire par
une plus grande consommation et une surchauffe importante.
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Caractéristiques des circuits
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CMOS : Série 74
CMOS rapides (high speed CMOS) 74 H C x x et 74 H C T x x
CMOS classiques 74 C x x (technologie identique à la série 4000)
Les familles 74 HC et 74 HCT sont des circuits CMOS rapides et consommant trés peu
comme toutes les familles CMOS.
Elle se différencie de la famille CMOS 4000B par:
une tension d'alimentation comprise entre 2 V à 6 V
une grande rapidité
un plus grand courant de sortie, sortance plus élevée.
La famille 74 HC est caractérisée par une grande immunité aux bruits contrairement au
TTL et 74 HCT.
La famille 74 HCT est née d'un besoin de compatibilité des signaux entre les TTL et les
CMOS.
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COMPATIBILITÉ D’ASSOCIATION DES CIRCUITS TTL ET CMOS
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