TP N° 4 D`ELECTRONIQUE NUMERIQUE Technologie des

ROBERT Véronique
GE3
Année 2005-2006
TP N° 4 D’ELECTRONIQUE NUMERIQUE
Technologie des composants
Le but de ce TP est d’étudier les caractéristiques électriques d’une même porte
logique réalisée dans différentes technologies. Dans une première partie, nous
rechercherons la documentation technique de ces composants. Puis nous mesurerons
leurs performances électriques et pour finir nous verrons les problèmes d’interfaçage
entre les différentes familles.
I) Préparation.
1) Caractéristiques des différentes portes :
La série standard date des années 60 ; elle a été introduite par Texas Instruments avec
le préfixe 54 / 74. La série 74 est une série civile contrairement à la série 54 qui est une série
militaire. La différence majeure se trouve au niveau des plages de températures et de tension
d’utilisation qui sont plus étendues pour le série militaire. Le boîtier 74000 contient 4 portes
NAND. Dans les séries, il existe deux familles de portes :
Famille TTL Famille CMOS
7400 74HC00
74LS00 74HCT00
74S00
74AS00
74ALS00
Pour la famille TTL, la commande se fait sur les courants ( absorption et injection de
courant), contrairement à la famille CMOS dont la commande se fait sur les tensions.

Famille TTL :
C’est une famille qui a été utilisée massivement, mais qui est peu à peu remplacée par
la famille CMOS. Les circuits TTL utilisent des transistors bipolaires en entrée et en sortie
(TTL = Transistor Transistor Logical).
Une porte TTL peut commander 10 TTL=sortance
 7400
Cette porte NON ET, en TTL standard, possède une consommation et des temps de
basculement raisonnables. Aucune amélioration de technologie n’est présente sur cette porte.
La série standard offre un bon compromis entre vitesse et consommation. D’autre
séries ont été développées pour optimiser vitesse ou consommation puis des améliorations
technologiques ont permis d’accroître le produit vitesse – consommation.
 74LS00 (Low Schottky)
Cette porte NON ET est une amélioration de la porte 7400. On utilise cette fois la
technologie Schottky. Dans cette série, on utilise les principes de la série 74S avec des
résistances plus élevées pour limiter la consommation. La consommation par porte est de
l’ordre de 2 mW et le retard de 9 ns.
On a changé un peu les caractéristiques pour moins consommer que les portes 74S00
et être plus rapide que les portes 7400.On augmente les valeurs des résistances pour réduire la
consommation Î temps de charge et de décharge plus long Î perte de vitesse
 74S00 (Schottky)
On limite la saturation des transistors en montant des diodes Schottky. On diminue les
retards en associant des résistances plus faibles et un Darlington en place du transistor
d’injection. De plus, on met des diodes de protection en entrée. La consommation par porte
est de l’ordre de 20 mW et le retard moyen de 3 ns.
Comment est fabriquée une diode Schottky ?
Æ Caractéristique : plus rapide qu’une diode normale.
Æ Pourquoi ? on remplace le semi conducteur N par du métal. Le métal est un
matériau conducteur dans lequel il y a des électrons libres.
Dans le semi conducteur N, la quantité d’électrons libres va dépendre de la
quantité de dopage (ordre de grandeur : 1 atome dopant pour 1018 atomes
propres). Dans le métal M, il y a autant d’électrons libres que d’atomes de
métal. Les électrons sont donc en plus grands nombre dans M que dans N donc
ce sera plus rapide que la TTL Standard. L’inconvénient de cette solution est la
consommation plus importante qu’elle entraîne.
 74AS00 et 74ALS00 (Advance Schottky)
Grâce à des avancées de la conception des circuits intégrés, les séries 74AS et 74ALS
sont plus rapides que les séries 74S. En terme de produit vitesse – consommation, ces séries
sont nettement meilleures.

Famille MOS et CMOS :
Dans cette technologie, on utilise des transistors MOS à enrichissement. Ces
transistors sont plus faciles à fabriquer et à intégrer, ils ont de petites dimensions et
consomment très peu. Les séries récentes surclassent les séries TTL pour les applications
courantes et la famille MOS ou CMOS devient la famille standard pour les circuits
numériques.
Avantage du MOS : le courant consommé par le dispositif est presque nul.
 74HC00 :haute vitesse
Cette porte NON ET est réalisée en technologie CMOS. On constate que le temps de
basculement sont plus faibles que pour les autres portes. De plus la consommation reste moins
importante que pour une 7400. Cette consommation diminue considérablement si on utilise
plusieurs portes du composant.
Les retards de propagation de cette porte sont comparables à ceux de la série 74LS.
Par ailleurs, on a également augmenté les courants de sortie. La porte peut accepter des
tensions différentes : on travaille avec des 1 logiques qui ne sont plus à 5 V mais à 1,125 V.
On a diminué son niveau à cause de l’échauffement.
Inconvénient :on diminue les plages d’immunité au bruit.
 74HCT00
Cette porte NON ET est une porte CMOS compatible avec des composants TTL. Les
temps de basculement et la consommation sont plus importants que pour le 74HC00, mais sa
comptabilité avec la technologie TTL est un réel avantage : les consommations restent
inférieures en CMOS.
Cette série, aussi rapide que la précédente, est compatible en tension avec les
dispositifs TTL. On peut utiliser dans un montage indifféremment les circuits TTL et CMOS
de la série HCT.
2) Tableau de mesures mettant en évidence les performances de différentes
technologies :
Famille TTL Famille CMOS
Paramètres 74 74LS 74AS 74ALS 74HC 74HCT
VIH(min) 2,0 V 2,0 V 2,0 V 2,0 V 3,5 V 2,0 V
VIL(max) 0,8 V 0,8 V 0,8 V 0,8 V 1,0 V 0,8 V
VOH(min) 2,4 V 2,7 V 2,7 V 2,7 V 4,9 V 4,9 V
VOL(max) 0,4 V 0,5 V 0,5 V 0,4 V 0,1 V 0,1 V
IIH(max) 40 µA 20 µA 200 µA 20 µA 1 µA 1 µA
IIL(max) 1,6 mA 0,4 mA 2 mA 100 µA 1 µA 1 µA
IOH(max) 0,4 mA 0,4 mA 2 mA 400 µA 4 mA 4 mA
IIL(max) 16 mA 8 mA 20 mA 8 mA 4 mA 4 mA
VIH : Voltage Input High: le niveau de tension minimum reconnu pour un 1 logique en entrée.
Toute tension inférieure n’est pas reconnue comme un niveau logique haut en entrée.
VIL : Voltage Input Low: le niveau de tension maximum reconnu pour un 0 logique en entrée.
Toute tension supérieure n’est pas reconnue comme un niveau logique bas en entrée.
VOH : Voltage Output High: le niveau de tension minimum garanti par le fabricant pour un 1
logique en sortie dans les conditions normales de charge.
VOL : Voltage Output Low: le niveau de tension maximum garanti par le fabricant pour un 0
logique en sortie.

IIH : Intensity Input High: l’intensité du courant qui traverse une entrée quand un niveau haut
est appliqué à cette entrée.
IIL : Intensity Input Low: l’intensité du courant qui traverse une entrée quand un niveau bas
est appliqué à cette entrée.
IOH : Intensity Output High: l’intensité du courant qui traverse la sortie quand elle est au
niveau haut dans des conditions de charges spécifiées.
IOL : Intensity Output Low: l’intensité du courant qui traverse la sortie quand elle est au
niveau bas dans des conditions de charges spécifiées.
Tableau comparatif entre certaines séries CMOS et TTL:
74 74S 74LS 74AS 74ALS 74HC
Consommation
par porte
statique (mW)
10 20 2 8 1,2
2,5 × 10-3
Consommation
par porte à
100kHz (mW)
10 20 2 8 1,2 0,17
Retard de
propagation
(ns)
9 3 9,5 1,7 4 8
Vitesse-
consommation
(à 100 kHz,pJ)
90 60 19 13,6 4,8 1,4
Fréquence
d’horloge maxi
(MHz)
35 12,5 45 200 70 40
Marge aux
bruits (cas
pessimistes)
0,4 0,3 0,3 0,3 0,4 0,9
Famille TTL
74 74LS 74S 74AS 74ALS
Valeurs nominales de performance
Retard de
propagation 9 ns 9,5 ns 3 ns 1,7 ns 4 ns
Consommation 10 mW 2 mW 20 mW 8 mW 1,2 mW
Produit vitesse -
consommation 90 pJ 19 pJ 60 pJ 13,6 pJ 4,8 pJ
Fréquence
d’horloge max 35 MHz 45 MHz 125 MHz 200 MHz 70 MHz
Sortance 10 20 20 40 20
Paramètres de tension
VOH(min) 2,4 V 2,7 V 2,7 V 2,7 V 2,7 V
VOL(max) 0,4 V 0,5 V 0,5 V 0,5 V 0,4 V
VIH(min) 2,0 V 2,0 V 2,0 V 2,0 V 2,0 V
VIL(max) 0,8 V 0,8 V 0,8 V 0,8 V 0,8 V

3) Structure TTL (NAND):
figure 1
Q1 est un transistor à double émetteur que l’on modélise par 3 diodes:
figure 2
D1 et D2 sont des diodes de protection, ou diodes de Clamping
D3 va créer une chute de tension supplémentaire qui empêche que les transistors Q3 et Q4
soient saturés en même temps, sinon VCC=5V serait relié à la masse
Table de vérité d’une porte NAND:
E1 E2 S
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
 Si l’une des entrées, E1 ou E2, est à 0 (ou à 1) :
Æ pour pouvoir fixer entre E1 et E2 à la masse, il faut que le dispositif absorbe un courant.
Æ on n’a pas de courant dans D (cf fig 2), c’est à dire à la base de Q2
Æ Q2 et Q4 sont BLOQUES ce qui correspond à un circuit ouvert.
Æ Q3 est SATURE (présence d’un courant de base).
Æ D3 est passante.
Æ VS=VCC-VBE-VCEsat-R3I3
Æ Une sortie TTL à l’état haut va débiter du courant.
Le potentiel bas n’est pas à 0Æ dépend du potentiel de saturation