Cas d`un inverseur TTL

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Caractéristiques des Circuits Intégrés Numériques
Paramètres tensions
Technologie TTL - Série 74 (Transistor Transistor Logic)
Ou
logique à transistor bipolaires
VIHmin : 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)
Dans cette série, il existe 7 grandes familles :
VILmax : 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)
TTL standard 74 x x
TTL low power 74 L x x
TTL schottky 74 S x x
TTL fast
74 F x x
TTL low power schottky
74 L S x x
TTL advanced schottky
74 A S x x
TTL advanced low power schottky 74 A L S x x
Code de désignation :
74 LS
Exemple : SN
020
VOHmin : tension de sortie niveau haut
Niveau minimal de tension en sortie d’un circuit logique correspondant à l’état
logique 1
VOLmax : tension de sortie niveau bas
Niveau maximal de tension en sortie correspondant à l’état logique 0
N
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Pour un même numéro de type de circuit, la fonction et le brochage sont identiques.
état logique 1
En général, c’est la vitesse (temps de propagation interne du signal) ou la puissance
dissipée qui déterminent le choix d’une famille.
état logique 1
VOHmin
VNH
VIHmin
tension
bande
indéterminé
bande
indéterminé
VILmax
VNL
VOLmax
état logique 0
état logique 0
gammes des tensions en sortie
exigences des tensions en entrée
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Cas d'un inverseur TTL
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Sorties d’un circuit logique
Structure de base
Sortie normale (type totem-pôle)
VCC
Une sortie "totem-pole" est une sortie qui est capable de
fournir les niveaux 0L et 1L.
RC
S
E
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.
RB
Si E = Vcc transistor saturé S ≈ 0
Si E = 0 transistor bloqué S ≈ +Vcc
Sortie collecteur ouvert
Caractéristique de transfert
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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Paramètres courants
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)
IIH : courant d’entrée niveau haut (courant entrant)
Courant qui traverse une borne d’entrée quand une tension niveau haut est appliquée
à cette entrée
IIL : courant d’entrée niveau bas (courant sortant)
Courant qui traverse une borne d’entrée quand une tension niveau bas est appliquée
à cette entrée
IOH : courant de sortie niveau haut (courant sortant)
Courant qui traverse une borne de sortie placée au niveau 1 dans des conditions de
charge spécifiées
IOL : courant de sortie niveau bas (courant entrant)
Courant qui traverse une borne de sortie placée au niveau 0 dans des conditions de
charge spécifiées
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.
IOH
Ne jamais réunir deux sorties normales ensemble, risque de court-circuit !
IOL
IIH
IIH
IIH
IIL
IIL
IIL
Etat haut
Etat bas
VCC
RC
Seules les sorties à collecteurs ouverts
peuvent être reliées ensemble.
S
E
RB
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Temps de propagation (ou retards de propagation)
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 : VNH = VOHmin - VIHmin
La marge de bruit à l’état bas VNL est définie comme : VNL = VILmax - VOLmax
Un signal logique qui traverse un circuit subit toujours un retard.
Deux retards de propagation sont définis :
tPLH : retard pour passer du niveau BAS au niveau HAUT
tPHL : 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 :
état logique 1
état logique 1
entrée
VOHmin
VNH
tPHL
VIHmin
tension
bande
indéterminé
bande
indéterminé
tPLH
sortie
VILmax
VNL
VOLmax
état logique 0
état logique 0
gammes des tensions en sortie
Généralement, tPHL et tPLH 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.
exigences des tensions en entrée
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 VCC (pour les TTL) ou VDD (pour les MOS).
Si ICC est le courant absorbé par le CI, alors la puissance réelle consommée PD est le
produit ICC x VCC.
En général, ICC varie selon les états du circuit.
On définit ICCH lorsque toutes les sorties sont à 1, et ICCL lorsque toutes les sorties sont à 0.
Alors ICCmoy =
I CCH + I CCL
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ET PDmoy = ICCmoy x VCC
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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 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 IIHmax = 40 µA, et le courant
maximal qui quitte une entrée TTL standard dans l’état BAS est IILmax = 1,6 mA.
I OL max
I
= OL max (en U.L.)
I IL max 1,6 mA
I
I
Sortance à l’état haut = OH max = OH max (en U.L.)
I IH max
40 µA
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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
74
VOHmin
VIHmin
I IL max
(en U.L.)
1,6 mA
I IH max
Entrance à l’état haut =
(en U.L.)
40 µA
2,4 v 2,4 2,4 v 2,7 v 2,7 v 2,7 v 2,7 v
v
2v
2v
2v
2v
2v
2v
2v
0,4 v 0,3 0,4 v 0,5 v 0,5 v 0,5 v 0,5 v
v
VILmax
0,8 v 0,8 0,8 v 0,8 v 0,8 v 0,8 v 0,8 v
v
Retard de
propagation
Consommation
Entrance (fan in) :
Entrance à l’état bas =
74L 74F 74S 74AS 74LS 74ALS 74HC 4000B
VOLmax
Sortance à l’état bas =
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.
CMOS
10
ns
33
ns
6 ns 3 ns
1,5
ns
9,5
ns
4 ns
7 ns 40 ns
10
1
22
19
mW mW mW mW
20
mW
2 1 mW <<
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
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Série 4000 – CIRCUITS INTÉGRÉS CMOS
Principe : utilisation des transistors CMOS (PMOS ET NMOS)
Troisième génération
améliorations par réduction des capacités de jonction.
- 74AS : advanced Schottky ou F ( Fairchild advanced Schottky technology)
- 74ALS : advanced low power Schottky
Caractéristique de transfert d'un inverseur CMOS
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CMOS : Série 4000
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Caractéristiques des circuits
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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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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