Transcript Chap. 4 : TECHNOLOGIE DES CIRCUITS INTEGRES DE LOGIQUE

Module SIN1: Système d’Information Numérique
Chap. 4 : TECHNOLOGIE DES
CIRCUITS INTEGRES DE LOGIQUE
(C.I.L.)
>>
>>
>>
>>
Logiques à diodes et à transistors
Les familles de C.I.L.
La famille TTL
La famille CMOS
M. BENDAHAN et T. CONTARET
Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Logique à diodes
Fonction ET
Fonction OU
VCC
VCC
1
1
a
a
0
1
b
0
R
V
R
0
1
b
0
V
Il suffit d'une entrée au niveau logique 1
(+Vcc) pour que la sortie soit au niveau
logique 1 (V-0,6 volts).
Avec la convention :
- S ≈ 0 volts = niveau logique 0
- S ≈ Vcc volts = niveau logique 1
Il suffit d'une entrée au niveau logique
0 (0 volts) pour que la sortie S soit au
niveau logique 0 (0,6 volts).
Avec la convention :
- S ≈ 0 volts = niveau logique 0
- S ≈ Vcc volts = niveau logique 1
R est une résistance de pull-down
R est une résistance de pull-up
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Circuits logique à diodes
r
VCC
r
r
r
ET
r
r
a
Rpull-up
a
b
b
c
c
d
d
R
f1
f1
f2
f3
r
f2
F1
f4
R
R
F2
F1
R
VCC
F2
R
F3
Rpull-down
OU
f3
F1 = f1 . f2 = (a + b) . (b + c)
F2 = f2 . f3 = (b + c) . (a + c + d)
F1 = f1 + f2 = a . b + b . c
F2 = f2 + f3 = b . c + a . c . d
F3 = f1 + f2 + f4 = a . b + b . c + c . d
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Transistor Bipolaire : description
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Transistor Bipolaire : caractéristiques
Les 4 grandeurs sont reliées entres elles par les jeux de courbes ci-dessous et
en particulier : IC = β IB
Grandeur instantanée = polarisation (continu) + variation
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Transistor Bipolaire : polarisation
Régime de fonctionnement : dissocier le circuit de commande sur la jonction B-E
(transistor bloqué ou passant) et le circuit commandé sur la jonction CE (limitation du
courant IC et Ie malgré l’effet transistor : régime linéaire ou saturé
3 régimes de fonctionnement :
Transistor bloqué (B) :
IB = 0 (VBE = 0)
IC = 0
Circuit ouvert
Transistor passant (P) :
IB > 0 (VBE = 0,7 V ) et IC = β IB
VCE ≠ 0
Source de courant
Transistor Saturé (S) :
IB > 0 (VBE = 0,7 V ) et IC = Icsat
VCE = VCEsat # 0,2V
Circuit fermé
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Logique RTL (Resistor – Transistor Logic)
Système logique complet
fonction ET, OU (ou NAND + NOR) + fonction NON
ou inverseur
Transistor BIPOLAIRE
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Logique RTL (Resistor – Transistor Logic)
Fonction NAND
Fonction NOR
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Logique DTL (Diode - Transitor Logic)
Fonction NAND
Fonction NOR
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Logique DTL (Diode - Transitor Logic)
>> Association d’opérateurs logiques : problématique ?
Quand Sortie A = 0 en fait Sortie A = VCE SAT (≈
≈0.2V)
VBE au lieu de 0 vaut VBE = VD + VCE SAT ≈ 0.8V
Suffisant pour que T2 soit passant au lieu d’être bloqué !
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Logique DTL (Diode - Transitor Logic)
>> Association d’opérateurs logique : solution
V = VD’ + VBE = VD + VCE SAT
VBE = VD + VCE SAT – VD’ ≈ 0.2V
non suffisant pour que T2 soit passant donc T2 bloqué !
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Logique DTL (Diode - Transitor Logic)
>> Amélioration des opérateurs DTL NAND et NOR :
Fonction NAND
Fonction NOR
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Logique DTL (Diode - Transitor Logic)
>> Association NON + NAND et NON + NOR :
Fonction ET
Fonction OU
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
De la Logique DTL à la logique TTL
(Transistor –
Transistor Logic)
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Logique TTL (Transistor - Transitor Logic)
>> Logique à transistors :
VCC
VCC
R1
R2
1
a
R2
R1
V
0
a
V
b
Fonction NON
Vcc
Fonction NON-ET
a
b
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Logique TTL (Transistor - Transitor Logic)
>> Les 4 fonctions logiques de base :
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Transistor MOS
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Logique CMOS (Complementary Metal
Oxide Semiconductor)
>> Fonction de base avec la technologie NMOS : INVERSEUR
Transistor NMOS monté
en résistance
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Logique CMOS (Complementary Metal
Oxide Semiconductor)
>> Fonctions de base avec la technologie NMOS : NAND et NOR
NAND
NOR
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Logique CMOS (Complementary Metal
Oxide Semiconductor)
>> Fonction de base avec la technologie CMOS : INVERSEUR
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Les Familles de CIL
>> Les 2 principales familles : TTL et CMOS
>> Les sous familles des technologies TTL et CMOS
Dans les différentes familles de CIL, il y a des sous-familles.
Elles ont été crées pour optimiser certains paramètres comme la vitesse
ou la consommation, car il est difficile d ’améliorer les deux à la fois.
Technologie TTL
sousfamille
TTL
standard
LS
S
ALS
AS
FAST
année de
mise en
service
1965
1971
1971
1979
1980
1978
intitulé
Transistor
Low
Transistor
Power
Logic
Schottky
Advanced
TTL
Low
Schottky
Advanced
Fairchild
Schottky
Advanced
Power
TTL
Schottky
Schottky
TTL
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Les Familles de CIL
>> Les sous familles des technologies TTL et CMOS
Technologie CMOS
sous- CD 4000ACD 4000B
famille
année de
mise en
service
intitulé
1970
1976
74 C
74 HC
74 HCT
74 AC
74 ACT
1972
1981
1982
1985
1985
CMOS
CMOS
CMOS à
High
High
Advanced
Devices
Devices
brochage
speed
speed
CMOS
compatible
CMOS
CMOS
logic
TTL
compatible
Advanced
CMOS
compatible
TTL
TTL
Aujourd'hui, le transistor MOS constitue, grâce à sa simplicité de fabrication
et à ses dimensions réduites (quelques dizaines de nanomètres pour la longueur
de grille), l'élément fondamental des circuits intégrés numériques.
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Chap. 4 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Les Familles de CIL
>> Tension d’alimentation Vcc
Pour pouvoir fonctionner, les CIL ont besoin d’énergie. Elle est
transmise entre les bornes d ’alimentation en tension Vcc et GND
(ground).
La valeur de Vcc varie suivant la technologie utilisée dans les deux
principales familles:
TTL
CMOS
Vcc = 5V ± 5%
de 3 à 18V
Rem : Plus Vcc est petit, moins le composant consomme d ’énergie
(essentiel pour les systèmes sur batterie..)
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Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille TTL
>> Puissance consommée Pd
C’est la puissance que doit fournir la source d’alimentation.
Très importante à connaître surtout pour les systèmes qui
fonctionnent sur pile ou batterie
Pdmoyen = Iccmoyen x Vcc
Iccmoyen = (IccH + IccL)/2
avec
IccH = courant consommé quand toutes les sorties sont à l’état haut
IccL = courant consommé quand toutes les sorties sont à l’état bas
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Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille TTL
Exemple : TTL LS
>> Niveaux (tensions) de fonctionnement
VIHmin : tension d ’entrée minimale niveau haut = 2 V
VILmax : tension d ’entrée maximale niveau bas = 0,8 V
VOHmin : tension de sortie minimale niveau haut = 2,4 V
VOLmax : tension de sortie maximale niveau bas = 0,4 V
VI
VO
Vcc
Vcc
VIHmin
Niveau HAUT
Niveau HAUT
VOHmin
Niveau indéterminé
Niveau indéterminé
VILmax
VOLmax
Niveau BAS
Niveau BAS
0
0
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Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille TTL
>> Courants de fonctionnement & sortance
Exemple : TTL LS
IIHmax : courant d ’entrée maximal niveau haut = 20 µA
IILmax : courant d ’entrée maximal niveau bas = - 0,4 mA
IOHmax : courant de sortie maximal niveau haut = 0,4 mA
IOLmax : courant de sortie maximal niveau bas = 8 mA
Sortance (Fan Out) :
nombre maximal d ’entrées que l ’on peut raccorder à une même
sortie sans dégrader les performances du composant.
Sortance niveau 0 = IOLmax / IILmax = 8 mA/ 0,4 mA = 20
Sortance niveau 1 = IOHmax / IIHmax = 0,4 mA / 20 µA = 20
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Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille TTL
>> Marge de bruit
Les champs électriques ou magnétiques peuvent induire des tensions parasites
dans les fils de raccordement. Ces signaux indésirables sont appelés le bruit.
V CC
Niveau 1
Zone
Zone
V OHmin
Voila du bruit !
1
V CC
Niveau 1
1
V IHmin
V NH
indéter
minée
indéter
minée
Niveau 0
Niveau 0
V ILmax
V OLmax
Vo
Sortie
VI
V NL
0
0
Entrée
Sortie
Entrée
Marge de bruit état haut VNH = VOHmin - VIHmin
Marge de bruit état bas VNL = VILmax - VOLmax
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Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille TTL
Exemple : opérateur
INVERSEUR
>> Paramètres dynamiques (régime transitoire)
Entrée
1
tpHL
50%
:
0
tpHL
tpLH
temps de
propagation pour la
L
t transition H
1
tpLH
0
temps de
propagation pour la
transition L
H
Sortie
t
∆t = tp moyen est le temps moyen de propagation de l ’information de
l ’entrée vers la sortie.
tp moyen = (tpLH + tpHL)/2
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Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille TTL
>> Etage d’entrée : courant d’entrée
Vcc
1 - Si VI > VIHmin : niveau haut à l ’entrée.
T est bloqué.
IIH= courant inverse de la jonction BE, donc
faible.
T
II
Ici II = IIH = + 40 µA rentrant
VI
2 - Si VI < VILmax : niveau bas à l’entrée.
T est passant.
II =IIL est sortant donc IIL < 0.
sous-famille
IIL
-1,6 mA
N
-0,4 mA
LS
-2 mA
S
-0,1 mA
ALS
-0,5 mA
AS
-0,6 mA
FAST
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Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille TTL
COLLECTEUR OUVERT: (ex NAND : cf TD)
>> Etages de sorties
TOTEM POLE : (ex NAND : cf TD)
+5V
+5V
R1
R2
R1
R2
R4
T1
T4
T1
E1
E2
T2
T2
E1
D
S
E2
S
T3
T3
R3
R3
3 ETATS : (ex NAND : cf TD)
+5V
R1
T1
R2
D'
T4
T2
E1
E2
C
R4
D
S
T3
T5
R3
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Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille TTL
>> Etages de sorties « Totem Pôle »
+5V
R1
R2
R4
T4
T1
D
T2
E1
E2
Vcc
S
T3
R3
A
B
Circuit équivalent à diodes
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Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille TTL
>> Etages de sorties « Totem Pôle »
+5V
R1
D1
R2
R4
T4
D3
D
T2
E1
E2
R3
D2
S
T3
E1 E2
D1
D2
D3
T2
T4
T3
S
0 0
passante
passante
bloqué
bloqué
saturé
bloqué
1
0 1
passante
bloqué
bloqué
bloqué
saturé
bloqué
1
1 0
Bloqué
passante
bloqué
bloqué
saturé
bloqué
1
1 1
bloqué
bloqué
passante
saturé
bloqué
saturé
0
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Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille TTL
>> Etages de sorties « Totem Pôle »
T3 est saturé, T4 et D sont bloqués :
T3 est bloqué. T4 et D sont passants.
niveau bas en sortie.
niveau haut en sortie.
T4
IOL
T4
"0"
T3
IO=IOL> 0, le courant sort de la charge
(il y a extraction de courant).
IOH
T3
"1"
IO=IOH < 0, le courant entre dans la
charge (Il y a injection de courant).
M. BENDAHAN et T. CONTARET
Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille TTL
>> Etages de sorties « Totem Pôle »
ATTENTION :
&
&
&
S
Il est interdit avec les
composants de la version
normale et puissance de
relier deux ou plusieurs
sorties ensembles, sinon
destruction si les sorties
sont à « 1 » et à « 0 » en
même temps. ( voir TD )
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Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille TTL
>> Etages de sorties « 3 ETATS »
On rajoute des composants qui permettent de créer un troisième
état (tri state output) à la sortie. C ’est à dire qu ’on va pouvoir avoir
T1 et T2 bloqués en même temps.
T2
T2
0
T2
1
T1
Z = haute impédance
T1
T1
Nouvel état
En haute impédance, la sortie est isolée du point de vue électrique.
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Vcc
Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille TTL
E1
E2
>> Etages de sorties « 3 ETATS »
NAND
CT5
+5V
R
Tampons 3 états
C
E1
E2
0
0
0
1
0
0
1
1
R
2
4
1
D'
2
1
1
0
1
0
1
1
0
1
0
0
?
1
0
1
?
1
1
0
?
1
1
1
?
D
T
E
4
T
T
S
0
R
1
S
E
T
2
3
C
R
T
3
5
Entrée de
commande
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Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille TTL
>> Etages de sorties « 3 ETATS »
Le circuit possède une entrée supplémentaire dite de validation : Val.
E
S
1
Val
S
1
E
haute
impédance
0
Val
sortie 3 états
On peut connecter plusieurs sorties en //, à condition d’en activer qu ’une seule à
la fois ( sinon destruction ).
Les autres sorties sont en haute impédance.
C ’est le principe utilisé dans les structures de BUS, notamment dans les PC.
M. BENDAHAN et T. CONTARET
Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille TTL
>> Etages de sorties « COLLECTEUR OUVERT »
+5V
R
1
R
2
T
1
E
E
T
1
2
S
T
2
R
3
3
M. BENDAHAN et T. CONTARET
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Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille TTL
>> Etages de sorties « COLLECTEUR OUVERT »
L ’étage de sortie n ’est plus un totem pole, la résistance R n ’est
plus intégrée directement dans le CIL. Le collecteur du transistor
T est en « l ’air » : c ’est le collecteur ouvert ou open collector.
V
VCC
R extérieure
&
IO
T
VO
collecteur ouvert
T saturé : VO = niveau bas
T bloqué : VO = niveau haut
(Voir les TD pour le calcul de R)
M. BENDAHAN et T. CONTARET
Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille TTL
>> Etages de sorties « COLLECTEUR OUVERT »
+5V
R1
D1
R2
R
D3
T2
E1
E2
R3
D2
E1 E2
D1
D2
D3
T2
T3
0 0
P
P
B
B
B
1
0 1
P
P
B
B
B
1
1 0
P
P
B
B
B
1
1 1
B
B
P
S
S
0
S
T3
S
NAND
M. BENDAHAN et T. CONTARET
20
Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille TTL
>> Etages de sorties « COLLECTEUR OUVERT »
Avantages :
- On peut réaliser un ET simplement en reliant les sorties des
opérateurs ensembles. On économise une porte logique.
- La mise en // de plusieurs sorties est possible
V
S3
T3
R
S2
T2
S = 1 si tous les transistors
sont bloqués c ’est à dire
S1=S2=S3=1, sinon S = 0.
Donc S = S1.S2.S3
S
S1
T1
M. BENDAHAN et T. CONTARET
Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille CMOS
CMOS : MOS Complémentaire utilisant des MOS N et MOS P
complémentaires ( sur la même pastille de silicium pour avoir les
mêmes caractéristiques internes).
>> TENSION D ’ALIMENTATION
sous-famille
CD 4000
HC/HCT
ACT/AHC
T
AC/AHC
valeur (V)
3 → 18
5
5
3,3 ou 5
LV
LVC/ALVC/
AVC
2,5 ou 3,3 ou 1,8 ou 2,5 ou
5
3,3 ou 5
Circuits à très faible consommation.
Rem : Vcc grand permet d ’augmenter la rapidité mais au détriment
de la puissance consommée!
M. BENDAHAN et T. CONTARET
21
Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille CMOS
>> PUISSANCE COMSOMMEE
* En régime statique, cette puissance est très faible car il y a
toujours un transistor bloqué entre VDD et 0. Le courant délivré par
l ’alimentation est de l ’ordre du pA.
* En régime dynamique,
cette puissance augmente à
cause des capacités
internes du CMOS. Plus la
fréquence d ’utilisation
augmente, plus la puissance
consommée augmente.
consommation
TTL
CMOS
fréquence
fT
M. BENDAHAN et T. CONTARET
Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
La famille CMOS
>> CONCLUSION
TTL
CMOS
Alimentation
5V
3 à 18V
Consommation
Importante
Très faible
Rapidité
Très rapide
~ 10 ns
Plus lent, mais on peut les
rendre plus rapide en
augmentant la tension
d’alimentation
M. BENDAHAN et T. CONTARET
22
Chap. 5 : Technologie des circuits intégrés de logique (CIL)
Les différents types de boîtiers
circuit DIL
Dual In Line
circuit PLCC : Plastic
Leaded Chip Carrier
circuit CMS (Composant
Monté en Surface)
Composant faible densité
(porte logique de base)
Composant forte densité
(PLD)
Composant faible densité
et forte densité
M. BENDAHAN et T. CONTARET
23