ElectroniqueNumerique

Cours
D'Electronique
Numérique
Par A. Oumnad

Electronique numérique par A. Oumnad 2
SOMMAIRE
1 LES FAMILLES DES CIRCUITS LOGIQUES ......................................................................................................5
1.1 Introduction ....................................................................................................................................................5
1.2 Notations (abréviations de termes anglo-américains) ...........................................................................5
1.3 Model fonctionnel simplifié d'une porte logique......................................................................................6
1.4 Nomenclature commerciale des circuits....................................................................................................6
1.5 Famille TTL (Transistor Transistor Logique)..........................................................................................8
1.5.1 Variantes de la famille TTL..............................................................................................................8
1.5.2 Alimentation et température de fonctionnement :.....................................................................9
1.5.3 Série TTL standard............................................................................................................................9
1.5.4 Niveaux logiques de la famille TTL Standard............................................................................. 11
1.5.5 Immunité au bruit : .......................................................................................................................... 11
1.5.6 Courant d'entrée Ii de la porte standard...................................................................................12
1.5.6.1 Courant d'entrée à l'état bas IIL..............................................................................................12
1.5.6.2 Courant d'entrée à l'état haut IIH ...........................................................................................12
1.5.7 Courant de sortie Io de la porte standard .................................................................................12
1.5.7.1 Courant de sortie à l'état bas IOL.............................................................................................12
1.5.7.2 Courant de sortie à l'état haut IOH ..........................................................................................13
1.5.8 Sortance (Fan out) ...........................................................................................................................13
1.5.9 Courant de court circuit..................................................................................................................13
1.5.10 Courant d'alimentation et puissance consommée ......................................................................13
1.5.11 Temps de propagation......................................................................................................................14
1.5.12 Portes à sortie collecteur ouvert (OC : Open Collector) .........................................................14
1.5.13 Porte à sortie 3 états (tri-state) .................................................................................................14
1.5.14 Porte à entrée Trigger de Schmitt ..............................................................................................15
1.5.14.1 Retardateur d'impulsion..............................................................................................................15
1.5.15 Variante TTL Schottky ou TTL-S.................................................................................................16
1.5.16 Variante TTL Low Pwer Schottky ou TTL-LS ............................................................................16
1.5.17 Variantes TTL avancée AS et ALS...............................................................................................17
1.5.18 Variante TTL-F ou TTL Fast..........................................................................................................17
1.5.19 Performances typiques de la technologie bipolaire...................................................................17
1.6 Les Familles CMOS (Complementary MOS)............................................................................................19
1.6.1 Série 4000 .........................................................................................................................................19
1.6.1.1 Alimentation.......................................................................................................................................19
1.6.1.2 Température de fonctionnement ..............................................................................................19
1.6.1.3 Porte élémentaire de la famille CMOS ................................................................................... 20
1.6.1.4 Caractéristique de transfert....................................................................................................20
1.6.1.5 Portes NAND et NOR................................................................................................................. 20
1.6.2 Porte analogique................................................................................................................................21
1.6.2.1 Niveaux logiques à l'entrée ........................................................................................................21
1.6.2.2 Niveaux logiques à la sortie....................................................................................................... 22
1.6.2.3 Immunité au bruit........................................................................................................................ 23
1.6.2.4 Temps de propagation................................................................................................................. 23
1.6.2.5 Consommation ............................................................................................................................... 23
1.6.2.6 Sortance ........................................................................................................................................ 23
1.6.3 Série High speed CMOS : HC, HCT, AHC et AHCT................................................................. 24
1.6.4 Caractéristiques typiques des technologies CMOS et HCMOS............................................ 24
1.6.5 La Technologie BiCMOS : BCT et ABT........................................................................................ 25
1.6.5.1 Considérations sur la consommation........................................................................................25
1.6.5.2 Caractéristique d'entrée........................................................................................................... 26
1.6.5.3 Caractéristique de sortie........................................................................................................... 26

Electronique numérique par A. Oumnad 3
1.6.6 Familles Low voltage........................................................................................................................ 27
1.6.6.1 Caractéristiques typiques.......................................................................................................... 28
1.6.7 Positions comparées des familles logiques................................................................................. 28
2 CIRCUITS COMBINATOIRES USUELS ........................................................................................................... 29
2.1 Les multiplexeurs......................................................................................................................................... 29
2.1.1 Choix d'une voie (entrée) parmi N...............................................................................................29
2.1.2 Choix d'un mot parmi N................................................................................................................. 29
2.1.3 Exemple de multiplexeur du commerce .......................................................................................31
2.2 Les démultiplexeurs.....................................................................................................................................31
2.2.1 Démultiplexeur 1 parmi 4................................................................................................................31
2.2.2 Les décodeurs................................................................................................................................... 32
2.2.3 Exemple de démultiplexeur du commerce.................................................................................. 32
2.3 Les comparateurs ........................................................................................................................................ 33
2.3.1 Comparateurs du commerce .......................................................................................................... 33
2.4 Les additionneurs......................................................................................................................................... 35
2.4.1 Additionneurs à propagation de la retenue................................................................................ 35
2.4.2 Additionneur à retenue anticipée. ...............................................................................................36
2.4.3 Additionneurs du commerce.......................................................................................................... 36
2.5 Unité arithmétique et logique (ALU)....................................................................................................... 37
2.6 Décodeurs BCD-7 segments...................................................................................................................... 37
2.6.1 Pilotage des afficheurs .................................................................................................................. 39
2.6.2 Pilotage des afficheurs Anode commune.................................................................................... 39
2.6.3 Pilotage des afficheurs Cathode commune. ............................................................................... 40
2.6.4 Décodeur BCD-7 segments du commerce................................................................................... 40
3 CIRCUITS SEQUENTIELS USUELS ................................................................................................................. 42
3.1 Les Bascules.................................................................................................................................................. 42
3.1.1 La Bascule RS.................................................................................................................................... 42
3.1.2 La Bascule RSH................................................................................................................................. 42
3.1.3 La Bascule JK et JKH ..................................................................................................................... 42
3.1.4 La Bascule réagissant sur front d’horloge ................................................................................. 43
3.1.5 Bascule JK réagissant au front descendant .............................................................................. 43
3.1.6 Exemple de détecteur de Front...................................................................................................44
3.1.7 Bascule RS Maître Esclave ............................................................................................................ 44
3.1.8 Bascule JK Maître Esclave............................................................................................................. 45
3.1.9 Bascule D ........................................................................................................................................... 45
3.1.10 Les entrés de forçage CLear et Preset...................................................................................... 45
3.2 Les registres................................................................................................................................................. 46
3.2.1 Les registres à réaction sur fronts.............................................................................................46
3.2.2 Les Registres Latches .................................................................................................................... 47
3.3 Les registres à décalage............................................................................................................................ 47
3.3.1 Registres à décalage entrée parallèle sortie parallèle............................................................ 48
3.4 les compteurs ............................................................................................................................................... 49
3.4.1 Les compteurs Asynchrones.......................................................................................................... 49
3.4.2 Les Décompteurs Asynchrones.....................................................................................................50
3.4.3 Les Compteurs/Décompteurs Asynchrones................................................................................51
3.4.4 Comptage incomplet..........................................................................................................................51
3.4.5 Mise en cascade des compteurs Asynchrone ............................................................................ 52
3.4.6 Les compteurs Synchrones............................................................................................................ 53
3.4.6.1 Synthèse d'un compteur synchrone 4 bits........................................................................... 53
3.4.6.2 Généralisation............................................................................................................................... 54
3.4.6.3 Synthèse d'une décade synchrone ......................................................................................... 55
3.4.6.4 Mise en cascade de compteur synchrones ............................................................................. 56

Electronique numérique par A. Oumnad 4
4 LES MEMOIRES ...................................................................................................................................................... 58
4.1 Hiérarchie des mémoires dans un ordinateur ....................................................................................... 58
4.2 Classement des mémoires selon l'Utilisation ........................................................................................ 58
4.2.1 Mémoire vive ou RAM ..................................................................................................................... 58
4.2.2 Mémoire Morte ou ROM................................................................................................................. 59
4.2.3 Mémoire MORTE PROGRAMMABLE ou PROM....................................................................................59
4.2.4 Mémoire morte reprogrammable ou EPROM ............................................................................. 59
4.2.5 Mémoire MORTE EFFAÇABLE électriquement ou EEPROM.......................................................... 59
4.2.6 Mémoire FLASH............................................................................................................................... 59
4.2.7 Mémoire FIFO ou file..................................................................................................................... 60
4.2.8 Mémoire LIFO ou pile..................................................................................................................... 60
4.2.9 Cellule statique d'une mémoire vive ............................................................................................ 60
4.2.10 Cellule dynamique d'une mémoire vive ........................................................................................ 62
4.2.11 Cellule d'une mémoire ROM........................................................................................................... 63
4.2.12 Cellule d'une mémoire PROM......................................................................................................... 64
4.2.13 Cellule d'une mémoire EPROM et EEPROM................................................................................65
4.3 Organisation par mot.................................................................................................................................. 65
4.3.1 Capacité d'une mémoire ................................................................................................................. 66
4.3.2 Entrée de sélection de boîtier...................................................................................................... 66
4.3.3 Augmentation de capacité mémoire par association de plusieurs boîtiers......................... 67
4.4 Cycle de lecture ........................................................................................................................................... 68
4.4.1 Cycle d'écriture ............................................................................................................................... 68
4.4.2 Les barrettes SIM et DIM........................................................................................................... 68
4.5 Mémoires magnétiques ............................................................................................................................... 69
4.5.1 Les disquettes .................................................................................................................................. 69
4.5.2 Les disques durs............................................................................................................................... 70
4.6 Les interfaces de gestion de disques durs .............................................................................................71
4.6.1 Interface IDE (et ses variantes) .................................................................................................71
4.6.2 Interface SCSI.................................................................................................................................71
4.7 Les Mémoire Optiques................................................................................................................................ 72
4.7.1 Nomenclature ................................................................................................................................... 72
4.7.2 Le CD-ROM........................................................................................................................................ 72
4.7.3 Principe de lecture .......................................................................................................................... 73
4.7.4 Codage de l'information ................................................................................................................. 74
4.7.5 Vitesse de rotation.......................................................................................................................... 74
4.7.6 Le CD-R .............................................................................................................................................. 75
4.7.7 Le CD-RW.......................................................................................................................................... 75
4.7.8 Le DVD ............................................................................................................................................... 76

Electronique numérique par A. Oumnad 5
1 LES FAMILLES DES CIRCUITS LOGIQUES
1.1 INTRODUCTION
Les circuits intégrés Numériques (logiques) sont classés suivant leur technologie de fabrication. Les
familles logiques principales sont :
• Les familles bipolaires : Elles sont fabriquées à base de transistors bipolaires. La plus répandues
d'entre elles est la famille TTL
(Transistor Transistor Logic) qui possède de nombreuses
variantes.
• Les familles CMOS : Elles sont fabriquées à base de transistor CMOS.
• Les familles BiCMOS : Ces familles combinent les avantages des technologies Bipolaires et CMOS.
• Les familles Low Voltage : Ce sont des familles CMOS ou BiCMOS fonctionnant avec une faible
tension d'alimentation.
Une famille logique est caractérisée par ses paramètres électriques :
• La plage des tensions d’alimentation et la tolérance admise sur cette valeur,
• La plage des tensions associée à un niveau logique, en entrée ou en sortie,
• Les courants pour chaque niveau logique, en entrée ou en sortie,
• Les courants maximums que l’on peut extraire ou injecter dans une porte logique en entrée ou en
sortie, cette caractéristique sera souvent désignée par
driving capability
• La puissance maximale consommée qui dépend souvent de la fréquence de fonctionnement.
• Les performances dynamiques principales comme le temps de montée (transition bas–haut) et de
descente (transition haut–bas) des signaux en sortie d’une porte,
• Les temps de propagation d’un signal entre l’entrée et la sortie d’une porte logique. Cette
caractéristique ainsi que les temps de montée/descente définissent la vitesse de fonctionnement
d'une porte.
La raison de l'existence d'un nombre important de familles logiques, est qu'il est difficile de
concevoir une porte logique qui a, à la fois, de très bonnes performances en consommation, vitesse,
driving capability et d'immunité au bruit.
1.2 NOTATIONS (ABREVIATIONS DE TERMES ANGLO-
AMERICAINS)
Tensions :
VCC : tension nominale d’alimentation,
VIH : tension d’entrée au niveau logique haut
(Input High),
VIL : tension d’entrée au niveau logique bas (Input Low),
VOH : tension de sorti e au niveau logique haut (Output High),
VOL
: tension de sortie au niveau logique bas (Output Low).
Courants : (par convention, les courant entrant sont comptés positifs, et les sortant négatifs)
ICC
: courant d’alimentation (suivant les conditions d’utilisation de la porte),
IIH
: courant d’entrée au niveau logique haut,
IIL
: courant d’entrée au niveau logique bas,
IOH
: courant de sortie au niveau logique haut,
IOL : courant de sortie au niveau logique bas.