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
7400
74LS00
74S00
74AS00
74ALS00
Famille CMOS
74HC00
74HCT00
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 :
Paramètres
VIH(min)
VIL(max)
VOH(min)
VOL(max)
74
2,0 V
0,8 V
2,4 V
0,4 V
IIH(max)
IIL(max)
IOH(max)
IIL(max)
40 µA
1,6 mA
0,4 mA
16 mA
Famille TTL
74LS
74AS
2,0 V
2,0 V
0,8 V
0,8 V
2,7 V
2,7 V
0,5 V
0,5 V
20 µA
0,4 mA
0,4 mA
8 mA
200 µA
2 mA
2 mA
20 mA
74ALS
2,0 V
0,8 V
2,7 V
0,4 V
Famille CMOS
74HC
74HCT
3,5 V
2,0 V
1,0 V
0,8 V
4,9 V
4,9 V
0,1 V
0,1 V
20 µA
100 µA
400 µA
8 mA
1 µA
1 µA
4 mA
4 mA
1 µA
1 µA
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.
Famille TTL
74S
74
74LS
Valeurs nominales de performance
9 ns
9,5 ns
Retard de
propagation
10 mW
2 mW
Consommation
90 pJ
19 pJ
Produit vitesse consommation
35 MHz
45 MHz
Fréquence
d’horloge max
10
20
Sortance
Paramètres de tension
2,4 V
2,7 V
VOH(min)
0,4 V
0,5 V
VOL(max)
2,0 V
2,0 V
VIH(min)
0,8 V
0,8 V
VIL(max)
74AS
74ALS
3 ns
1,7 ns
4 ns
20 mW
60 pJ
8 mW
13,6 pJ
1,2 mW
4,8 pJ
125 MHz
200 MHz
70 MHz
20
40
20
2,7 V
0,5 V
2,0 V
0,8 V
2,7 V
0,5 V
2,0 V
0,8 V
2,7 V
0,4 V
2,0 V
0,8 V
Tableau comparatif entre certaines séries CMOS et TTL:
Consommation
par porte
statique (mW)
Consommation
par porte à
100kHz (mW)
Retard de
propagation
(ns)
Vitesseconsommation
(à 100 kHz,pJ)
Fréquence
d’horloge maxi
(MHz)
Marge aux
bruits (cas
pessimistes)
74
10
74S
20
74LS
2
74AS
8
74ALS
1,2
74HC
2,5 × 10-3
10
20
2
8
1,2
0,17
9
3
9,5
1,7
4
8
90
60
19
13,6
4,8
1,4
35
12,5
45
200
70
40
0,4
0,3
0,3
0,3
0,4
0,9
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
™ Si les deux entrées, E1 et E2, sont à1 :
Æ Q2 est SATURE (présence d’un courant de base).
Æ le courant passe du collecteur à l’émetteur.
Æ Q3 peut être assimilé à un interrupteur ouvert.
Æ Q 3 et Q4 sont BLOQUES donc S doit absorber un courant
Æ VS=VCEsat
Æ Une sortie TTL à l’état bas va absorber un courant.
4) Opérateur NAND CMOS:
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 Soit le transistor Q1 (ou Q2) sera passant, soit Q3 (ou Q4) sera bloqué.
Æ VS=VDD
™ Si les deux entrées, E1 et E2, sont à1 :
Æ les transistors Q3 et Q4 sont passants
Æ VS=0
II)
Simulation.
Temps de propagation des portes, donnés par le constructeur :
tp (ns)
7400
11
74LS00
9
74S00
4,5
74HC00
9
74HCT00
12
CONCLUSION
Le but de ce TP est de nous faire rechercher, lire et utiliser la documentation ,
que l’on a trouvé, à bon escient. On peut trouver la plupart des documentations
techniques, sur la technologie des composants, sur les sites des constructeurs (ex : Texas
Instrument),sur
les
sites
dédiés
à
la
recherche
de
documentation
(ex :www.alldatasheet.com) ou sur les sites des revendeurs (ex : www.radiospares.com).
Pour choisir la technologie que l’on va utiliser, les paramètres principaux, qui vont
influencer notre choix, sont :
- la rapidité
- la consommation
Le problème qui se pose alors est que plus on est rapide, plus on consomme.
Il faudra aussi que nos portes soient compatibles