Electronique Numérique ELECTRONIQUE NUMERIQUE

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1 Elecronique Numérique ELETRONIUE NUMERIUE EISTI Guy lmouzni

2 Elecronique Numérique. Préambule. Préambule ELETRONIUE NUMERIUE Différenes soluions élecroniques :. câblée : - avanage : rapidié - inconvénien : soluion figée. microprocesseur/microconrôleur : - avanage : souplesse - inconvénien : leneur/coû. ordinaeur embarqué : - avanage : souplesse - inconvénien : leneur/coû. FPG (VHDL) : - avanage : souplesse - inconvénien : coû Plan du cours. Logique combinaoire. Foncions logiques combinaoires basiques. Technologie (a. + b.td + c.tp) - lgèbre de Boole - Représenaion des foncions logiques - Minimisaion des foncions logiques - Maérialisaion des foncions logiques - Technologie 2. Logique combinaoire 2. pplicaions (2a. + 2b.TD + 2c.TP) - Les pplicaions direces (odeur / Décodeur / Transcodeur / Muliplexeur / Démuliplexeur / ircuis arihméiques) - Les Réseaux Logiques Programmables (ROM / PROM / PL-GL / PL-PLD / FGP / RM / SI) 3. Logique séquenielle. Foncions logiques séquenielles basiques (3a. + 3b.TD + 3c.TP) - Les bascules synchrones (RST /D /T / JK) 4. Logique séquenielle 2. pplicaions (4a. + 4b.TD + 4c.TP) - Regisre - ompeur - Séquenceur 5. Le langage VHDL. Le langage (6a. + 6b.TD + 6c.TP) - Elémens du langage / Uniés de concepion / Sous-programmes / Types de données / Déclaraions & Spécificaions / Insrucions séquenielles / Insrucions concurrenes / Généricié / ribus / Paqueage (7a. + 7b.TD + 7c.TP) Modélisaion / Synhèse - Modélisaion (Regisre & ddiionneur / icuis linéaires / uomae d éas finis / LU / RM / ROM) - Synhèse (ircuis combinaoires / ircuis synchrones) nnexe 6. ircuis Programmables. 7. Microprocesseur (5a. + 5b.TD + 5c.TP/Exam) - Maériel (chiecure / Séquencemen des insrucions / LU / Regisres / Pile) - Logiciel (ssembleur / Jeu d insrucions / Modes d adressage / dressage des périphériques / Inerrupions) - Inerfaces - Microconrôleur (chiecure / Sysème de développemen / Familles de microconrôleurs) nnexe. Insrucions VHDL nnexe 2. ompilaeur VHDL LTER Max+Plus nnexe 3. Daashees 8. Proje. ours (durée h).. TDs (durée 2 h).. TPs (durée 2 h) : ils comporen une parie simulaion ainsi qu évenuellemen une parie réalisaion..

3 Elecronique Numérique. Préambule Bibliographie [] R. iriau & al. «VHDL langage, modélisaion, synhèse» PPUR [2] J. uvray «Elecronique des signaux échanillonnés e numériques» Dunod [3] G. Baudouin/F. Virolleau «Les processeurs de raiemen de signal: famille 325» Dunod [4] B. Beghyn «Le microconrôleur 68H» Hermès [5] Diesche/Ohsmann «Manuel des microconrôleurs 832/85/8535» Publironic [6] M. Gindre / D. Roux «Elecronique numérique» McGraw-Hill [7] R.D. Hersch «Informaique indusrielle: microprocesseurs/emps réel» PPUR [8] H. Lilen «Microprocesseurs : du IS au RIS» Dunod [9] E. Marin/J.L. Philippe «Ingénierie des sysèmes à microprocesseurs» Masson [] M. Meaudre J. Weber «VHDL du langage au circui, du circui au langage» Masson [] B. Mion «Inerfaces e bus microprocesseurs 68/687» Menor sciences [2] B. Mion «Microprocesseur 68» Menor sciences [3] B. Odan «Microconrôleurs 85/852» Dunod Tech [4]. Tavernier «Microconrôleurs» Radio [5] R.L. Tokheim «Les microprocesseurs» Série Schaum PPUR : Presses Polyechniques e Universiaires Romandes.

4 Elecronique Numérique. Logique combinaoire. Inroducion. LOGIUE OMBINTOIRE L élecronique logique ( élecronique numérique) me en jeu des signaux binaires (n ayan que 2 éas possibles) appelés bis e noés (éa logique bas) e (éa logique hau). Sysème logique p enrées Sysème Logique m sories e i s p m j i p j m Sysème logique combinaoire l insan discre n, une sorie e n s j, noée s n j, d un sysème logique combinaoire ne dépend que de ses enrées n,..., ep au même insan : (la seule connaissance des enrées suffi à déerminer les sories) n n n sj = f ( e,..., ep ) ( j m) Enrées logiques n ei e i i p p Sysème Logique ombinaoire m Sories logiques n s j s j j m Sysème logique séqueniel n n n l insan discre n, une sorie s j d un sysème logique séqueniel dépend de ses enrées e,..., ep mais aussi de n n l éa anérieur des sories ( s,..., sm ) qui peuven êre considérées comme des enrées secondaires, alors que les n n enrées e,..., ep son appelées primaires. (Noion de mémoire, car les sysèmes séqueniels son bouclés, ou encore récursifs) : (la seule connaissance des enrées (primaires) ne suffi pas à déerminer l éa des sories) n n n n n s = f ( e,..., e, s,..., s ) ( j m) j p m Enrées logiques n e i i p n s j Sories logiques anérieures p Sysème Logique Séqueniel m m 2 Sories logiques n s j j m m = m + m 2 Logique combinaoire. lgèbre de Boole.. Opéraeurs Fondamenaux (ET, OU, NON) En algèbre de Boole, une variable, ou une foncion, ne peu prendre que deux valeurs binaires que l'on noe symboliquemen e. l aide de variables binaires (donc à 2 éas) on peu néanmoins décrire des variables ayan un plus grand nombre d éas, en consiuan ces dernières comme des mos binaires. Un mo binaire es une associaion de variables binaires. insi un mo consiué de m bis ou variables binaires peu décrire 2 m combinaisons logiques. Ex: Mo binaire M formé de m = 3 variables logiques binaires a2, a, a M = a2 aa peu prendre 2 3 = 8 valeurs..

5 Elecronique Numérique. Logique combinaoire On défini les opéraeurs fondamenaux : (dans ou ce qui sui, x, a, b, c... représenen des variables binaires (bis)) qui vau si x = a) Le complémen ( opéraeur NON (NOT)) x de x qui vau si x = Un opéraeur peu êre associée à une représenaion géomérique issue de la héorie des ensembles que l'on appelle diagramme de Venn (ou d'euler) : a = a = a = b) La somme logique ( opéraeur OU (OR)) de deux variables booléennes. e opéraeur es noé par le signe + (mais aussi par le signe ou encore ) a+ b = si a ou b (ou les deux) vau e a + b = sinon. a+ b a b a b Le signe + n'a pas ici la significaion habiuelle, il es éviden en effe qu'en algèbre de Boole : + = Si une ambiguié peu exiser, il vau mieux alors uiliser la noaion usuelle de la héorie des ensembles : a b. On considère un plan dans lequel on délimie une région où la variable a vau e une aure région dans laquelle b vau. La somme logique a pour valeur dans la surface formée par la réunion des deux régions précédenes : a = b = a + b = c) Le produi logique ( opéraeur ET (ND)) de deux variables booléennes : e opéraeur es noé par le signe (mais aussi par le signe ou encore ou même pas de signe) a b = si a e b valen e a b = sinon. a b a b a b ab Le diagramme de Venn correspondan condui à écrire a b : a = b = a b =. 2

6 Elecronique Numérique. Logique combinaoire.2. Propriéés des opéraions logiques élémenaires ET, OU, NON a) Elémen neure : b) Elémen absorban : c) omplémen : a+ = a a = a a + = a = ( a) = a a+ a = a a = d) Idempoence : a+ a = a a a = a Les opéraions d'addiion e de muliplicaion logiques on les propriéés des opéraions de même nom en arihméique classique : commuaivié, associaivié, disribuivié : e) ssociaivié : f) ommuaivié : ( ) ( ) ( ) ( ) a+ b + c = a+ b+ c = a+ b+ c a b c = a b c = a b c a+ b = b+ a a b = b a g) Double disribuivié : ( ) ( ) ( ) ( ) a b+ c = a b+ a c (Disribuivie de par rappor a + ) a+ b c = a+ b a+ c + (en arihméique classique, on n a que la disribuivié de par rappor à + ) Parmi les relaions simples les plus uilisées nous cierons les relaions suivanes : h) bsorpion : a+ a b = a a ( a+ b) = a a+ a b = a+ b x a+ x a = x () ( 2) () 3 ( 4) Explicaions : a+ a b = a + b = a = a () : ( ) car : ( + b = ) (2) : a ( a+ b) = a a+ a b = a+ a b (e relaion précédene) (3) : a + a b) = ( a + a) ( a + b) (4) : x a + x a = x ( a + a) = x = x (Disribuivie de par rappor a ) ( (double disribuivié) a + a b) = ( a + b) = a + b (. : ee relaion es imporane car elle perme l'éliminaion d'une variable.. 3

7 Elecronique Numérique. Logique combinaoire.3. Les héorèmes de De Morgan Il définissen les relaions enre l'opéraion complémen e les deux aures opéraions de base (OU e ET). a+ b = a b généralisable à n variables a b = a+ b Le complémen d'une somme es égal au produi des complémens des ermes. Le complémen d'un produi es égal à la somme des complémens des ermes. es héorèmes peuven êre monrés à l aide des diagrammes de Venn ou encore des ables de vérié (cf. plus loin)..4. Principe de dualié Une équaion logique rese vraie si on remplace + par e par e réciproquemen. Ex. : a + b = b + a a b = b a ure exemple : a + = a =.5. ures foncions élémenaires de deux variables Les rois foncions précédenes suffisen à elles seules à effecuer oues les opéraions. On défini cependan quelques foncions annexes. a) Le OU exclusif (OR) La foncion aorb es noée a b. a b vau si a ou b vau, mais pas les deux à la fois: a b = a b = sinon. On a bien évidemmen la relaion : a b = a b. si a = e b = si e ou si a = e b = a b peu évidemmen s'exprimer à parir des opéraions élémenaires : a b = a b+ a b. pplicaion : crypographie On a les propriéés : x x = x x = x = x x = x x a a = x = x Soi à cryper la donnée x. La clé de crypage e de décrypage es a. L algorihme de crypage/décrypage es le OU exclusif enre la donnée e la clé de crypage/décrypage (ee méhode bien connue présene la paricularié d uiliser la même clé ainsi que le même algorihme pour le crypage e le décrypage). à cryper x clé a crypage x a décrypage x a a = ( ) x Le OU exclusif de deux variables a, b radui l'inégalié de ces deux variables. La foncion inverse, raduisan l'égalié, es la coïncidence, noée. : a. b = a b a. b = a b+ a b car : a b = a b+ a b = ( a+ b) ( a+ b) = a a+ a b+ a b+ b b = a b+ a b On a bien évidemmen la relaion : a. b = a. b. Le symbole uilisé pour le OU exclusif es idenique à celui désignan en arihméique une addiion modulo 2, il s'agi = = = = en effe de la même opéraion :. 4

8 Elecronique Numérique. Logique combinaoire b) Les foncions NOR e NND La foncion NOR es le complémen de OU (NOR NO OR) : a NOR b = a+ b (enre 2 variables a e b) On la noe souven simplemen : a NOR b On rouve parfois la noaion suivane inroduie par PIERE : a b La foncion NND (NO ND) es le «ET complémené» : a NND b = a b (enre 2 variables a e b) On la noe souven simplemen : a NND b On rouve parfois la noaion inroduie par PIERE : a b ou encore la noaion : a/ b La combinaison de ces diverses opéraions logiques enre plusieurs variables consiue ce que l'on appelle les foncions logiques. Par exemple, la foncion logique de 3 variables : f = f ( a, b, c) = a+ b c+ a b c.6. Représenaion des foncions logiques a) Diagramme de Venn 'es la représenaion issue de la héorie des ensembles. Ex. : a. b = a = b = b) hronogramme 'es la représenaion de la foncion logique en foncion du emps pour diverses valeurs des variables d'enrée. Ex. : a b a.b c) Table de vérié 'es le ableau des valeurs de la foncion pour oues les valeurs possibles des variables d'enrée. Ex. : Foncion NOT a a. 5

9 Elecronique Numérique. Logique combinaoire Foncion OR Foncion ND Foncion NOR Foncion NND Foncion OU exclusif Foncion oïncidence a b a + b a a a.b a b a NOR b a b a NND b a b a b a b a. b d) Diagramme de Karnaugh 'es une forme pariculière de la able de vérié. Le diagramme de Karnaugh se compose d'un recangle divisé en 2 n cases, n éan le nombre de variables de la foncion considérée. Dans chacune de ces cases les variables on une valeur déerminée e on y place un ou un suivan la valeur correspondane de la foncion. L'ordre des variables en abscisse e ordonnée es el que lorsque l'on passe d'une case à la case adjacene une seule variable es modifiée. 2 cases son adjacenes si elles son voisines vericalemen, horizonalemen ou en coin, mais oujours de elle sore qu une seule variable d enrée es modifiée lorsque l on passe d une case à une case adjacene.. 6

10 Elecronique Numérique. Logique combinaoire Diagramme de Karnaugh à 2 variables a, b. (2 2 = 4 cases) a b ici a = b = ici a = b = Représenons la foncion OU exclusif : s= a b sur ce diagramme : s b a s= a b = si si ou si a = e b = a = e b = e son les 2 cases suivan la 2 ème diagonale. Diagramme de Karnaugh à 3 variables a, b, c a bc a bc de ( 2 3 = 8 cases, il fau uiliser un recangle ayan par exemple 4 lignes e 2 colonnes, mais on peu prendre aussi 2 lignes e 4 colonnes. On remarquera que de la deuxième à la roisième ligne on passe de ( ) à ( ) e non ) à ( ) de façon à ne modifier qu une variable à la fois (code Gray). La foncion s= ab+ ca don la able de vérié es : a pour diagramme de Karnaugh : a b c ab ca s. 7

11 Elecronique Numérique. Logique combinaoire s a bc Diagramme de Karnaugh à 4 variables a, b, c, d (2 4 = 6 cases). On reombe sur un carré. ab cd a = b= b= a = b= b= ab cd c = d = d = c = d = d = L'ordre des variables es le même que le précéden : Exemple : s= abcd + abc On pourra, en éablissan la able de vérié, monrer que le diagramme de Karnaugh es celui ci : s ab cd Diagramme de Karnaugh à 5 variables a, b, c, d, e Lorsque l'on passe d'une case d'un diagramme de Karnaugh à la case adjacene, une seule variable es modifiée. vec 5 variables, il fau que chaque case soi adjacene à 5 cases ce qui n'es pas possible dans une représenaion plane. Il fau faire appel à un volume à 2 5 = 32 cases cubiques que l'on peu remplacer par un double ableau carré :. 8

12 Elecronique Numérique. Logique combinaoire e = e = cd ab ab ab cd cd ases adjacenes e = e = son La commodié d'emploi es alors rès réduie car il es plus délica de repérer deux cases adjacenes.. La siuaion es encore pire avec 6 variables où il fau ravailler avec un cube ou 4 ableaux carrés. u delà de 6 variables aucune représenaion n'es possible e il faudra faire appel à d'aures procédés (logiciel de minimisaion). Les diagrammes de Karnaugh permeen comme nous allons le voir de simplifier rès facilemen des foncions booléennes complexes. u delà de 5 variables des méhodes algébriques peuven oujours les remplacer mais beaucoup moins souples e d'un inérê conesable. e) Forme canonique Toue foncion logique peu êre mise sous forme canonique : - comme une somme de minermes ou encore, - comme un produi de maxermes. On appelle minerme ou foncion unié de n variables un produi de ces n variables ou de leur complémen. Par exemple B D es un minerme des 4 variables, B,, D mais D n'en es pas un, car il manque la variable B. Une foncion boolénne de p variables es décrie comme une somme canonique si elle es mise sous la forme d'une somme de minermes de ces p variables. On défini égalemen un produi canonique qui es le produi de sommes conenan chacune oues les variables. ( B + + D)( + B + + D )( + B + + D) + es un produi canonique des 4 variables, B,, D. On remarque que chaque parenhèse es un maxerme (complémen d'un minerme). Ex : + B + + D = B D Les diagrammes de Karnaugh permeen rès facilemen de mere une foncion logique sous canonique car chaque minerme correspond à un dans une seule case du diagramme. forme d'une somme.7. Minimisaion ( simplificaion) des foncions logiques Pourquoi simplifier une foncion logique? Pour donner lieu à une réalisaion maérielle la plus simple possible mean en jeu un nombre minimal de circuis logiques e de signaux logiques..7.. Méhode algébrique Uilisaion des propriéés des opéraions logiques élémenaires e des héorèmes de De Morgan. La mise en équaion d'un problème de logique peu conduire à une foncion boolénne assez complexe pouvan, par des opéraions algébriques simples, se mere sous une forme beaucoup plus condensée.. 9

13 Elecronique Numérique. Logique combinaoire Soi par exemple, la foncion logique : S= { + { B+ { B+ { D+ BD+ { + { B 23 2 En groupan les ermes 2 e 4: B+ D= ( B+ D) = BD en ajouan 5: BD+ BD= ( BD+ BD) = (8) il rese: S = { + { B+ { + { B+ { mais: 6 ( ) + + = + = il rese: S = { + { B+ { B 8 3 mais encore: 8, erme idenique à 8 donc inuile ( + = ) = ( + B) = 7 donc finalemen : S = + B (résula qui serai obenu aussi en faisan 3 + 7= B ) De façon générale de rès nombreuses foncions logiques son suscepibles d'êre simplifiées mais la forme la plus compace n'es pas oujours rouvée immédiaemen car la voie de simplificaion algébrique la plus rapide n'es pas évidene. Dans le cas de 5 variables au plus, les diagrammes de Karnaugh permeen d'effecuer cee simplificaion «auomaiquemen» Méhode graphique : Diagramme de Karnaugh La méhode de simplificaion de Karnaugh consise à mere à profi la relaion : x+ x= x pour donner une expression simplifiée de la foncion à l aide des opéraeurs fondamenaux. On recherche les ermes ne différan que par un seul faceur qui apparai complémené dans le premier e non complémené dans le second. es deux ermes s'ils fon parie d'une somme canonique corresponden dans le diagramme de Karnaugh à deux placés dans des cases adjacenes. On forme alors ce que l'on appelle une boucle d'ordre 2. Remarquons que deux cases doiven êre considérées comme adjacenes si l'on passe de l'une à l'aure en ne modifian qu'une seule variable, ce qui es le cas de deux cases placées réellemen côe à côe, mais aussi aux deux exrémiés d'une ligne. La simplificaion se fera en regroupan les en boucles d'ordre 2, 4, 8, ec... ordre 2 n. ases adjacenes Soi la foncion logique : S = B D + BD + B D + BD case S = B D + BD par la méhode algébrique..

14 Elecronique Numérique. Logique combinaoire a) Boucles d'ordre 2 S B D On peu former deux boucles aves les cases adjacenes 7 - e 2-4. La boucle 7 - donne un erme BD : en effe la variable qui change en passan d'une case à l'aure s'élimine : BD + BD = BD( + ) = BD La boucle 2-4 donne BD, donc : = + ou : S = B( D + D ) = B( D) S B D B D Les boucles d'ordre 2 fon disparaîre variable dans les minermes de la foncion. ee variable es celle qui varie dans ces boucles les variables resanes son celles qui son consanes dans ces boucles. Si on veu écrire e simplifier S, ous les du ableau doiven êre groupés en boucles (avec des boucles compan le plus grand nombre de ermes possibles, les boucles pouvan évenuellemen se recouper, du fai de la propriéé : x + x = x ) ou si ce n'es pas possible, compés individuellemen. b) Boucles imbriquées Soi la foncion logique : S= B D+ BD+ BD case 7 Deux boucles son possibles 7 - ou -, elles on la case en commun mais on peu appliquer la règle précédene comme si ces boucles éaien disjoines. En effe S ne change pas si on dédouble un de ses ermes. S= B D+ BD+ BD+ BD boucle 7 - boucle - B D BD BD S B D B D = BD + = + ( ).

15 Elecronique Numérique. Logique combinaoire c) Boucles d'ordre 4 Supposons que deux boucles d'ordre 2 soien adjacenes. Par exemple : 6-7 e - soi : BD+ BD+ BD+ BD 6 7 Les deux résulas peuven de nouveau se combiner e disparaî : Les quare cases ainsi groupées formen une boucle d'ordre 4 : B D + B D B D + B D = B D B D BD Une boucle d'ordre 4 n'es pas forcémen carrée. Par exemple : B D B Elle peu êre écarelée enre les deux bords ou même enre les quare coins : B D BD Elle peu êre en parie commune avec une boucle du deuxième ordre comme ci-dessous : S B D B D qui pourrai s'écrire : S= B D+ B D+ B D+ B D+ B D = D+ B Les boucles d'ordre 4 fon disparaîre 2 variables dans les minermes.. 2

16 Elecronique Numérique. Logique combinaoire d) Boucles d'ordre 8 Si deux boucles d'ordre 4 son adjacenes, on peu former une boucle d'ordre 8 pour laquelle rois variables disparaissen. Les deux boucles d'ordre 4 : ( ) e ( ) donnen : B + B = B : B D Elles son adjacenes e formen une boucle d'ordre 8 où seule la variable B es conservée. Les boucles d'ordre 8 fon disparaîre 3 variables dans les minermes. e) Boucles d'ordre 2 n Les boucles d'ordre 2 n regroupen 2 n variables e fon disparaîre n variables dans les minermes de la foncion. De façon générale, on a inérê à effecuer les plus grands regroupemens possibles ( boucles d'ordre le plus élevé) pour simplifier au maximum la foncion. f) Foncions Booléennes (ou φ ) Il exise des cas où oues les combinaisons possibles des n variables ne son pas uilisées, c'es la cas par exemple des 4 variables consiuan une érade en code DB (Décimal odé Binaire ou encore Binaire pur), les six pseudo érades ( à 5) son exclues : hiffre de à 9 ode DB : B D codes resans non uilisés Dans ces condiions pour simplifier une foncion booléenne de quare variables don le champ de variaion es limié, une valeur quelconque peu êre donnée à la foncion dans les cases inerdies de façon à consiuer des boucles d'ordre le plus élevé possible sur le diagramme de Karnaugh. Le signe (ou φ ) éan uilisé pour indiquer qu'un aussi bien qu'un convien. On parle souven de foncions φ booléennes. Soi par exemple à commander un voyan qui doi êre allumé lorsque les chiffres 4 ou 5 apparaissen e seulemen dans ces cas. Les chiffres son codés en DB sur quare fils, B, e D. La foncion booléenne L à créer ne doi valoir que lorsque les configuraions 4 () ou 5 () apparaissen. En oue rigueur : L = B D + B D correspondan au diagramme de Karnaugh ci-dessous sur lequel apparaî une boucle d'ordre 2 amenan ainsi la simplificaion : L = B.. 3

17 Elecronique Numérique. Logique combinaoire Mais les cases marquées d'une croix ( ou φ ) corresponden à des siuaions inerdies qui ne se présenerons jamais sur les quare fils (pseudo érades) e peuven êre choisies comme on veu ( Don' care (sans effe)). Les uilisés dans les regroupemens son mis à, les non uilisés son mis à. Ici on peu placer des dans les deux cases correspondan aux éas (2) e (3) de façon à former une boucle d ordre 4 : D B B menan ainsi une simplificaion opimale de L : L= B La lampe L s'allume dans les éas 4 e 5 demandés e aussi pour 2 e 3 ce qui n'a pas d'imporance puisque ces deux derniers éas ne se présenen jamais.. Ne jamais regrouper uniquemen des ensemble : ça ne simplifie pas la foncion mais la complique en ajouan un erme inuile à la foncion.. haque a une valeur indépendammen des aures.. Ne jamais affecer des valeurs différenes à un même, lors de différens regroupemens le faisan inervenir. omplémen sur la simplificaion : Si le ableau de Karnaugh compore plus de que de, on a alors inérê à regrouper les e non les pour exprimer S pluô que S. De même pour une simplificaion algébrique, la simplificaion peu se faire plus simplemen sur S pluô que S. Lorsque S es simplifiée au maximum, on obien alors simplemen S par complémenaion de S. 2. Maérialisaion des foncions logiques 2.. Logique posiive e logique négaive oue grandeur physique ayan seulemen deux valeurs possibles on peu associer une variable booléenne. En élecronique, les grandeurs considérées son esseniellemen le couran e la ension. Par exemple, la ension colleceur d'un ransisor NPN (T) alimené sous 5 Vols (cas de la famille logique TTL) e foncionnan en régime de commuaion (régime de foncionnemen en logique) peu valoir : V V c c = =+ 5 T si es sauré Vols si es bloqué T On peu par convenion admere que la variable booléenne associée à la ension V c vau si V c = + 5 V, si V c =. La valeur es associée à la valeur la plus élevée de V c ; on di alors que l'on a défini une logique posiive : = pour Vc = = pour Vc = + 5 Vols Le conraire, bien que moins couran, es égalemen possible. la logique es qualifiée alors de négaive : = pour Vc = = pour Vc = + 5 Vols Dans ce qui sui nous ravaillerons oujours en logique posiive.. 4

18 Elecronique Numérique. Logique combinaoire 2.2. Symboles logiques Une foncion (ou opéraeur) logique élémenaire ( fondamenal) es maérialisée par un circui logique appelé pore logique. Symboles logiques fondamenaux Opéraeur ncien symbole Nouveau symbole (ancien américain ; nouveau européen) ND B. B ou B B &. B ou B OR B + B B + B BUFFER ou DRIVER (Un Buffer réhausse au niveau hau une ension de niveau hau diminuée) NOT ou ou NND B B B & B NOR B + B B + B OR B + B B = + B NOR B + B B = + B Noe : Le pei cercle représene la complémenaion La flêche représene la complémenaion en plus du sens de l'informaion En l'absence de flêche, le signal circule impliciemen de la gauche vers la droie. Symboles logiques de pores élémenaires à 3 e 4 enrées Opéraeur ncien symbole Nouveau symbole ND 3 enrées B B B & B B OR 4 enrées +B++D B D D +B++D Symboles logiques de circuis muliples d une même pore élémenaire à 2 enrées Nouveaux symboles Opéraeurs ET ircui 74 4 pores ND 2 enrées Opéraeurs ET / OU ircui 745 B 2 2B 3 3B 4 4B & Y =. B 2Y = 2. 2B 3Y = 3. 3B 4Y = 4. 4B B 2 2B 3 3B 4 4B & & & & Y = (.B) + (2.2B) 2Y = (3.3B) + (4.4B) Symbole d une foncion logique à l aide des opéraeurs fondamenaux Exemple : Représenaion de la foncion logique : + B : B + B. 5

19 Elecronique Numérique. Logique combinaoire 2.3. aracérisiques fondamenales d'une pore logique Définiion des niveaux logiques : immunié au brui onsidérons le cas simple d'un inverseur en logique 5 vols, c'es un circui don la sorie es à 5 vols si l'enrée es au zéro e réciproquemen, ce qui ne défini sur la caracérisique de ransfer que les deux poins e B de la figure suivane. En réalié par suie de l'influence des aures circuis qui lui son connecés, les niveaux d'enrée e de sorie d'un el inverseur n'on jamais ces valeurs idéales e il y a lieu de considérer la courbe de ransfer complèe suivane : Sorie V s V HM V Hm V L V LM V Lm V LM V L V H V Hm V HM V e B Enrée En régime normal, la ension d'enrée au niveau zéro se rouve enre V Lm e V LM, la ension de sorie éan alors au niveau hau () enre V Hm e V HM. Si une impulsion parasie vien se superposer à la ension d'enrée, la ension de sorie resera compaible avec le niveau si le niveau V L n'es pas dépassé. Mi = VL VLM es la marge de brui admissible à l'enrée au niveau bas. De même, si l'enrée es au niveau, une impulsion parasie ne doi pas faire omber V e en dessous de V H. M = V V es la marge de brui admissible au niveau hau. Hm H es deux marges définissen ce que l'on appelle l'immunié au brui du circui Temps de propagaion Si le niveau d'enrée d'un circui change brualemen, son niveau de sorie ne varie qu'avec un cerain reard appelé emps de propagaion p. La figure suivane illusre le cas d'un inverseur. Les emps de propagaion son courammen de 3 ns e peuven, pour les circuis les plus rapides, êre inférieurs à ns. La fréquence maximale d'uilisaion au-delà de laquelle les signaux ne son plus resiués par les circuis (limie haue de la Bande Passane) es lié au emps de propagaion. V e V s p. 6

20 Elecronique Numérique. Logique combinaoire Tension d alimenaion Par exemple pour les familles TTL e MOS : Tolérance sur les niveaux TTL MOS Tension d'alimenaion Vcc 5 V ±.5 V Tension maxi d'enrée pour un niveau bas V IL.8 V L : Low Tension mini d'enrée pour un niveau hau V IH 2 V H : High Tension maxi de sorie pour un niveau bas V OL.4 V I : Inpu Tension mini de sorie pour un niveau hau V OH 2.4 V O : Oupu Puissance moyenne absorbée par pore : mw ouran moyen par pore : qq. m Tension d'alimenaion : à TTL elle peu êre de 3 à 8 Vols (série 4) (les nouvelles généraions plus performanes n'auorisen que 2 à 6 Vols). La puissance consommée es << TTL : de l'ordre de. mw couran rès faible < m. Les olérances sur les niveaux logiques son du même ordre qu en TTL Enrance (Fan in) e Sorance (Fan ou) La source qui impose à l'enrée d'un circui logique un niveau ou doi fournir un cerain couran. e couran es différen suivan l'éa. Il peu êre suivan le cas, maximal pour l'éa ou l'éa. Dans une même famille de circuis, ces valeurs son des consanes, sauf pour cerains circuis pariculiers don les exigences peuven êre plus imporanes. Enrance On appelle enrance d'un circui (ou fan in) la valeur du couran de commande d une enrée de ce circui exprimée en une unié qui es le couran de comande ypique de la famille (appelé charge). Ex. : un circui ayan une enrance de 2 consomme (ou fourni) un couran d'enrée double de celui d'un circui ordinaire de la même famille. Le couran unié correspond à ce qu'on appelle une «charge». Sorance Il es clair qu un circui logique ne peu garanir sa ension de sorie que si le nombre de charges qui lui son connecées es limié (un niveau logique de sorie chue à si le nombre de charges es rop élevé) : : circui logique Un circui logique peu d'aure par, sans que le niveau logique de sorie ne sore des limies permises, fournir un couran maximal I S max. Le rappor enre ce couran maximal e celui correspondan à une charge es appelé sorance du circui (ou fan ou, ou faceur pyramidal de sorie) : c'es le nombre maximal de charges que peu commander une sorie (à enrée uniaire) en garanissan les niveaux logiques. Ex. : à un circui ayan une sorance de, on peu connecer charges ou en garanissan les niveaux de sorie de cee pore. Le sens des courans es égalemen rès imporan. Une famille logique don les circuis doiven êre piloés par un couran enran es die à injecion de couran. Dans le cas conraire, on parle de logique à exracion de couran : Injecion de couran Exracion de couran. 7

21 Elecronique Numérique. Logique combinaoire De façon à évier l'acion des signaux parasies (fil anenne!) les enrées non uilisées d'un circui à enrées muliples doiven êre polarisées, soi en les relian aux aures, soi en les connecan à la source d'alimenaion ou à la masse suivan le cas. eci es pariculièremen imporan dans le cas des circuis ayan des couran d'enrée rès faible comme les circuis MOS. (Une enrée enl air a un éa indéerminé qui prend en général la valeur par effe d anenne) ircuis expansibles, ET e OU câblés Soi un circui ET à 2 enrées effecuan l'opéraion : Pour réaliser un circui ET à 4 enrées qui réaliserai : S = B S = B D on peu songer à uiliser 3 circuis ET à 2 enrées en faisan le produi des 2 produis pariels B e D :. B D B D BD Dans cerains cas on peu associer plus direcemen les sories des 2 circuis ET sans dommage pour les circuis. Si ceci es possible, les circuis son qualifiés d'expansibles : B D M ET câblé B D BD On a bien un ET à 4 enrées :. si B = e D = M = (pas de cour-circui). si B = e D = M = (pas de cour-circui). si B = e D = M = (cour-circui enre Vol e 5 Vols (en TTL) le résula es Vol, soi logique). si B = e D = M = (cour-circui enre Vol e 5 Vols (en TTL) le résula es Vol, soi logique) La joncion au poin M es appelée «ET câblé» Les familles logiques Toues les foncions booléennes peuven êre consruies à l'aide des rois opéraeurs fondamenaux ET, OU e complémen. e groupe de rois opéraeurs forme ce que l'on appelle un sysème logique comple. La maérialisaion des foncions logiques nécessie donc de pouvoir réaliser des sysèmes physiques remplissan ces rois foncions. Un sysème logique comple permean la consrucion de oue foncion peu cependan êre réalisé en uilisan un nombre plus faible de srucures de base. Par exemple, le groupe des deux foncions ET e complémen consiue un sysème logique comple. En effe, la foncion OU peu êre reconsiuée à parir de ces deux foncions seulemen comme le monren les héorèmes de De Morgan : soi : + B= ( + B) = B + B B B. 8

22 Elecronique Numérique. Logique combinaoire ircuis logiques à diodes Soien, deux diodes e une résisance connecées comme le monre la figure ci-après. dmeons d'abord que les diodes son parfaies, de résisance nulle dans le sens passan : ( Rd = V > ) Si l'une ou l'aure des enrées ou B es reliée à la masse ( ) pour. V =, la sorie V S =. La sorie V S n'es au poeniel hau (S = en logique posiive) que si V e V B son au poeniel hau. On a réalisé le produi logique S =. B : E = + 5 V PORTE ET (Diodes) V V B V S V B D D 2 R S V S + E + E D 2 bloquée mais D passane S à la masse D bloquée D 2 passane S à la masse V B D D 2 passanes S à la masse + E + E + E D D 2 bloquées V S = + E (pas de couran dans R ) De même avec le circui de la figure ci-dessous, la sorie ne vau + E que si ou B valen. (Somme logique + B) : D PORTE OU (Diodes) B D 2 S R Les pores à diodes son expansibles, en effe : R R / 2 R ompaiblié des pores ET e OU à diodes La mise en série de pores de ype différen pose un cerain nombre de difficulés liées au fai que les pores ET son à exracion de couran alors que les pores OU son à injecion de couran. Il fau leur adjoindre un élémen acif du ype ransisor qui peu par conre à lui seul consiuer un sysème comple comme dans la famille RTL.. 9

23 Elecronique Numérique. Logique combinaoire La famille RTL (Résisance Transisor Logic) Le ransisor perme rès simplemen d'obenir le complémen d'une variable logique. E PORTE OMPLEMENT (RTL) R 2 R T V S V Si V ( ) le ransisor T es bloqué e V E ( S ) = = S = + =. Si V = E, sous réserve que la condiion de sauraion : R R > soi saisfaie, T es sauré : VS =, S =. β 2 On a donc réalisé le complémen S =. Un ransisor associé à des résisances (d'où le nom de ce ype de circuis) perme de réaliser des opéraions ET e OU (ou plus exacemen des ET e OU complémenés soi des NOR e NND): E PORTE NOR (RTL) R T R B R 2 T 2 S Si V = VB = les deux ransisors son bloqués. Si l'une des ensions d'enrée vau +E, le ransisor correspondan se saure : V S =. D'où la able de vérié, correspondan à la foncion NOR : S = + B : B S Pour réaliser la pore ET, on peu uiliser deux inverseurs e un NOR conformémen à l'expression B = + B. Pour la pore NND, on peu faire appel au monage direc de la figure suivane, mais qui es peu uilisé car les enrées son mal découplées enre elles : E PORTE NND (RTL) T S = B B T2 La srucure de base en RTL es la pore NOR qui consiue à elle seule, comme on l'a vu plus hau, un sysème logique comple. On remarque enfin que la RTL es une logique à injecion de couran.. 2

24 Elecronique Numérique. Logique combinaoire Logique DTL (Diode Transisor Logic) Elle peu êre considérée comme l'associaion d'une logique à diodes e d'un ransisor inverseur. L'ensemble consiue alors un circui NND qui à lui seul forme un sysème logique comple. Le schéma de principe es présené sur la figure suivane : E PORTE NND (DTL) (principe) R R 2 B S = B Si V = VB = + E, les deux diodes son bloquées e T es sauré par le couran base raversan R ( V S ) V = la diode d'enrée parfaie bloque le ransisor ( V E) =. Si S =. En réalié si le poin es à la masse, l'anode de la diode correspondane es un poeniel voisin de.6 Vol qui es aussi le seuil de conducion du ransisor. Le monage ne peu foncionner que si le V BE limie de conducion du ransisor es plus élevé que la ension de conducion de la diode. ela pourrai se faire avec des diodes au germanium associé à un ransisor silicium (soluion incompaible avec l'inégraion du circui). Une soluion plus efficace consise à uiliser des diodes remonan le seuil de conducion du ransisor. Le circui réel es représené sur la figure suivane. Les deux diodes D4 e D5 remonen au voisinage de.8 Vols la ension en P nécessaire à la conducion de T. lors : si V =, V = 6 P. Vol T es bloqué, VS =+ E : E PORTE NND 3 enrées (DTL) B D D 2 R P D 4 D 5 T R 2 S = B D 3 Il n'exise pas de circui spécifiquemen NOR en DTL. La logique DTL es une logique à exracion de couran qui n'es donc pas compaible avec la RTL. omme pour la logique à diodes les pores son expansibles (on diminue la résisance de charge du ransisor).. 2

25 Elecronique Numérique. Logique combinaoire La logique TTL (Transisor Transisor Logic) (famille la plus répandue) Elle ne diffère de la DTL que par le remplacemen du réseau de diodes d'enrée par un ransisor spécial muliémeeurs. es une logique qui ne se conçoi qu'en circui inégrés, elle es de loin la plus courane acuellemen (série 54/74). omme en DTL, le circui de base es une pore NND. La figure suivane représene le monage de base du circui d'enrée, les diodes son remplacées par les joncions EB des ransisors. Les deux ransisors d'enrée on leurs bases e colleceurs reliés. + E + E PORTE NND (TTL) (schéma de base) T e T2 son oujours saurés T T3 S = B = B= -> sur la base de T3 -> T3 bloqué -> S= = B= -> cour-circui - -> sur la base de T3 -> T3 bloqué -> S= = B= -> cour-circui - -> sur la base de T3 -> T3 bloqué -> S= B T2 = B= -> sur la base de T3 -> T3 sauré -> S= Lors de leur fabricaion cere liaison peu aller jusqu'à la fusion oale conduisan à un ransisor muli-émeeur qui réalise la foncion ET. D'où le circui d'enrée de la figure suivane : E PORTE NND (TTL) (principe) S = B B Pour augmener les performances, le circui de sorie n'es pas un simple ransisor. En effe un el monage es rès mal adapé à l'aaque de charges capaciives. onsidérons en effe la figure suivane : + 5 V + 5 V V e T R V s + 5 V Décharge de dans T Recharge de par R Lorsque le niveau de sorie passe de + E à, le couran de décharge de raverse le ransisor qui en régime de sauraion se compore presque comme un commuaeur parfai. Lorsque le niveau de sorie passe de à + E ce qui correspond au bloquage du ransisor, la charge de doi se faire grâce à un couran raversan R, donc avec une consane de emps R appréciable. Pour diminuer le emps de monée il fau diminuer R ce qui augmene proporionnellemen la consommaion du circui. Pour augmener la viesse on fai appel à un deuxième ransisor moné à la place de R qui en se sauran branche direcemen à + E. Le monage présene quelques analogies avec le push-pull :. 22

26 Elecronique Numérique. Logique combinaoire Pore NND (TTL) 74 4 kω.6 kω 3 Ω T 3 T T 2 E = + 5 V + E B D T 4 S + E + E T 2 T 4 S kω as = B = Si V VB Un couran circule e T2 e T4 son saurés. T 2 éan sauré, sa ension colleceur es égale à sa ension émeeur soi environ.6 Vol. Or T 3 ne peu conduire (à cause de D ) que si sa base es porée à environ.2 V; il es donc bloqué. lors VS =, S =. nnulons l'une des ensions ou B (ou les deux). La résisance de 4 kω assure la sauraion de T ce qui amène à zéro le poeniel base de T 2 donc bloque T 2 e aussi T4. T3 se rouve alors sauré grâce à la résisance de.6 kω relian sa base à + E, la sorie es alors au niveau hau. e circui réalise donc bien la foncion NND : S = B. = =+5V, les diodes émeeur-base de T son bloquées, par conre la diode base-colleceur es conducrice. Le monage consiué par les deux ransisors de sorie T3, T4 es appelé «oem pole», (pour chacun des 2 éas logiques on a : T 3 bloqué e T 4 sauré, ou l'inverse). Il perme des ransiions rapides du niveau de sorie même sur charge capaciive. Le emps de ransi es courammen de ns. omme la logique DTL, la logique TTL es une logique à exracion de couran. Tolérance sur les niveaux TTL Tension d'alimenaion Vcc 5 V ±.5 V Tension maxi d'enrée pour un niveau bas V IL.8 V L : Low Tension mini d'enrée pour un niveau hau V IH 2 V H : High Tension maxi de sorie pour un niveau bas V OL.4 V I : Inpu Tension mini de sorie pour un niveau hau V OH 2.4 V O : Oupu Puissance moyenne absorbée par pore : mw ouran moyen par pore : qq. m TTL Schoky Dans la famille précédene les ransisors ravaillen en commuaion c'es à dire qu'ils son parfois saurés. Or un ransisor sauré socke des charges dans sa base qui doiven ensuie êre évacuées. eci limie foremen la viesse de commuaion. Pour augmener la viesse, il fau évier la sauraion, ceci peu se faire en plaçan une diode en parallèle sur l'espace base-colleceur, de façon à mainenir le colleceur à un poeniel rès légèremen inférieur à celui de la base : (T ne peu pas se saurer car D conduirai, ce qui amènerai la base à +.5 vol bloquan T) D T En réalié le gain de viesse n'es pas grand car la diode elle même socke des charges. La soluion es rouvée en remplaçan D par une diode Schoky. Une elle diode es consiuée par un conac méal semi-conduceur. Sa ension de conducion es de l'ordre de.4 Vol e elle es rès rapide car le phénomène de sockage es rès rédui.. 23

27 Elecronique Numérique. Logique combinaoire Dans un circui TTL le ransisor muli-émeeur d'enrée peu êre égalemen de ype Schoky (c'es à dire avec une diode Schoky en parallèle) ou remplacé par des diodes Schoky comme en DTL : PORTE NND (TTL S) + E ou avec enrée muli-émeeur : B S = B B Diode Shoky Le gain en viesse es imporan, les emps de ransi éan de quelques nanosecondes seulemen. Varianes du circui de sorie a) La sorie oem-pole perme d'inéressanes performances en viesse mais inerdi le ET e le OU câblés, l'inerconnexion direce des sories peu en effe conduire à la desrucion des circuis. Pour remédier à ce inconvénien, deux soluions on éé reenues : les sories open collecor e ri-sae. En sorie oem pole, la charge es fixée par consrucion. 2 ransiors en alerna de commuaion (un es bloqué quand l aure es sauré) en sorie augmenen la rapidié du circui. Sorie TOTEM POLE + E Schéma synopique d'une pore à sorie oem pole S ircui d'enrée ommande des inerrupeurs "" "" S Pore NND (TTL) 74 4 kω.6 kω 3 Ω T 3 T T 2 E = + 5 V B D T 4 S kω Symbole : (c es le symbole par défau) Exemple: Pore OU oem pole. 24

28 Elecronique Numérique. Logique combinaoire b) Sorie open collecor (colleceur ouver) Le oem pole es supprimé e remplacé par un seul ransisor don la résisance de colleceur n'es pas inégrée. Elle doi êre mise en place par l'uilisaeur (en foncion de son problème). Le colleceur du ransisor de sorie du circui logique n es pas connecé à une alimenaion dans le circui. es à l uilisaeur de placer la charge la mieux adapée selon la sorance désirée. Le OU e le ET câblés deviennen ainsi possible. De plus cerains circuis son prévus avec un ransisor de sorie pouvan supporer une ension de plusieurs dizaines de vols e son précieux comme généraeurs d'impulsions de grande ampliude. La sorie S peu avoir 2 éas ( ou ) selon que le ransisor de sorie es respecivemen sauré ou bloqué. Sorie OPEN OLLETOR + E ircui "open collecor" (7426) NND 2 enrées E = + 5 V 4 k.6 k R S R harge exérieure B S harge exérieure k Symbole : pplicaions : Exemple: Pore OU open collecor - hangemen de niveau logique (de TTL +5 Vols à + U Vols) + 5 V + U + 5 V + U - ommande de charge imporane + E Lampe - Réalisaion d une foncion câblée B S B S D S 2 & S = (+B) (+D) D S 2 S = (+B) (+D) Inerpréaion élecrique S = (+B) (+D) (+B) (+D). 25

29 Elecronique Numérique. Logique combinaoire c) Sorie ri-sae (3 éas) La charge es fixée par consrucion. Les 2 ransiors en alerna de commuaion du oem pole son désolidarisés pour donner en sorie 3 éas possibles : les 2 éas logiques e, e le 3ème éa (haue impédance) obenu lorsque les 2 ransisors de sorie son bloqués. La sorie peu donc se présener sous les 3 éas :, e l éa haue impédance (circui déconnecé). Sorie TRI-STTE + E ircui inverseur ri-sae E = + 5 Vols R R Signal Enrée de validaion S V 6 R 3 5 V Validaion R 4 Sur le schéma de l inverseur 3 éas, on peu commener le foncionnemen : Si V =, 6 es bloqué, le sysème foncionne comme un circui TTL classique : Si =, condui, la base de 2 es au zéro donc 2 es bloqué ainsi que 5, pendan que 3 es conduceur ainsi que, donc S = =. Si V =, 6 es sauré donc égalemen e comme plus hau 2 e 6 son bloqués, mais par la diode D reliée à la masse 3 es mainenu bloqué malgré le couran dans R2, 4 se rouve donc égalemen bloqué. N'impore quel poeniel peu êre imposé en S par un circui exérieur sans déériorer le circui. Il es ainsi possible de relier plusieurs sories à condiion qu'un seul circui soi validé à la fois. (OU e ET câblés possibles à condiion qu'un seul circui soi validé à la fois). Dans la famille TTL, une sorie passe dans l'éa haue impédance en désolidarisan les 2 inerrupeurs du oem pole : "" "" "" S = S = S = Haue Impédance (S déconnecée) éa "" "" "" éa "" "" 3ème éa (Haue Impédance) e ype de circui es rès uilisé dans les sysèmes logiques complexes dans lesquels les informaions circulen sur des lignes communes auxquelles son reliées de nombreux circuis. e son des BUS. On voi sur l'exemple de la figure suivane que pour faire circuler l'informaion de à B il suffi de valider seulemen les pores e 6, oues les aures pores devan êre «inhibées» (déconnecées par éa haue impédance) sous peine de cour-circui desruceur: (les pores à 6 pouvan êre des circuis drivers d eniés informaiques par ex., mémoire, périphérique d ordinaeur...). (driver piloe circui de commande, de conrôle, d inerface) 2 3 Enrée de validaion BUS B Symbole : Exemple: Pore OU ri-sae. 26

30 Elecronique Numérique. Logique combinaoire Remarque : Pour évier que plus de 2 eniés soien connecées simulanémen au bus (ce qui enraînerai des cours-circuis), un circui programmable spécialisé (conrôleur de bus) gère ces signaux de validaion La logique I 2 L L' I 2 L es une echnologie bipolaire rapide uilisée exclusivemen dans les circui inégrés rès complexes du ype microprocesseurs. La srucure fondamenale es représenée sur la figure suivane (avec un ransisor muli-colleceur) : +E PORTE I2L Injeceur de couran S Enrée S Les familles EL Dans les monages précédens les ransisors foncionnen au blocage e à la sauraion, or on sai qu'un ransisor sauré accumule dans sa base une charge qui doi êre éliminée pour obenir le blocage, ce qui prend un cerain emps. Pour augmener la viesse de foncionnemen, des familles logiques où les ransisors ne son jamais saurés on éé développées, c'es la cas de l'el (logique à émeeurs couplés) de Moorola. Pour permere la mise à la masse des colleceurs de l'éage de sorie, l'alimenaion es négaive (- 5 Vols) mais pour facilier la liaison avec d'aures logiques une alimenaion posiive es possible. Les niveaux logiques son : niveau hau () codé par -.8 Vol e niveau bas () codé par -.8 Vols Les familles MOS Le Transisor à Effe de hamp à jonion (FET) n'es pas uilisé pour consruire des circuis logiques, il n'en es pas de même du ransisor MOS, Transisor à Effe de hamp à grille isolée. Pour les ransisors MOS consruis acuellemen, la ension de seuil peu êre inférieure à 2 Vols, ce qui perme d'uiliser ces composans avec des ensions d'alimenaion de 3 Vols seulemen. La figure suivane représene un inverseur MOS. Sa srucure es analogue à celle de l'inverseur à ransisor bipolaire, sa caracérisique de ransfer peu êre racée à parir du réseau de caracérisiques du MOS pour une valeur donnée de la résisance de charge. La ransmission es d'auan plus bruale que la résisance es élevée. On voi que le sysème es compaible avec un niveau logique bas inférieur à 3 Vols, e hau supérieur à 7 Vols (pour Vols d'alimenaion). E + Vols R S I DS.5 R = kω 2 k 4 k V GS = + 6 V V GS = + 5 V V GS = + 4 V V GS = + 3 V V GS = + 2 V V DS V DS 4 kω R = kω Or en circui inégré, une résisance occupe d'auan plus de surface sur la "puce" que sa valeur es imporane. On a donc cherché à remplacer la résisance de charge par un second ransisor MOS. onsidérons un MOS canal N don la grille es reliée au drain, il consiue un dipôle don la caracérisique es racée sur la figure suivane. 'es à un décalage de ension près, celle d'une résisance qui peu êre uilisée come charge dans le monage inverseur. I V GS = 6 Vols 2 kω 5 V E I 5 V V DS 5. 27

31 Elecronique Numérique. Logique combinaoire La figure suivane représene le monage fondamenal de l'inverseur MOS dans lequel oue résisance a éé bannie. Nous ne déaillons pas ici les nombreuses varianes echnologiques mises au poin depuis quelques années e qui son en consane évoluion, (grille en aluminium e isolemen par de la silice, grille en silicium poly ou monocrisallin, isolemen par du nirure de silicium ayan une consane diélecrique élevée ec...). Inverseur MOS + E NOR MOS 4 enrées + E NND MOS + E S S B D B Une paricularié des MOS liée à leur impédance d'enrée rès élevée es la présence d'une capacié grille-subsra qui peu êre uilisée comme élémen de mémoire e limie les performances en viesse La famille MOS (aure grande famille avec la famille TTL) MOS pour MOS omplémenaires : MOS uilisés par paires : MOS canal N; MOS canal P. L'emploi simulané de MOS complémenaires perme de réaliser des circuis don la consommaion au repos es pariculièremen basse. La firme américaine R s'es spécialisée dans cee echnique e commercialise ces circuis logiques (série 4/4). Le circui fondamenal es l'inverseur ci-dessous. + E anal P V E V S anal N Lorsque V E # +E, niveau hau, le MOS-N ayan sa grille posiive es conduceur. Par conre le MOS-P es bloqué. Donc V S es pei (V S ) mais le couran consommé es nul, M 2 éan bloqué. Lorsque V E # niveau bas, le MOS-N es bloqué (il s'agi oujours de MOS à enrichissemen ayan un I DSS nul). Par conre, M 2 de ype P es conduceur e V S E. Là encore M éan bloqué, le couran consommé par la cellule es nul. Les deux ransisors ne son pas simulanémen conduceurs, le circui ne consomme donc rien à l'éa sable. Une consommaion apparaî seulemen en régime ransioire car il fau charger e décharger les capaciés de srucure. La consommaion ypique à viesse moyenne peu êre cen fois inférieure à celle de la cellule idenique à ransisors à joncions mais la viesse limie es acuellemen plus faible, ypiquemen MHz conre plus de 5 MHz pour des EL. Tension d'alimenaion : à TTL elle peu êre de 3 à 8 Vols (série 4) (les nouvelles généraions plus performanes n'auorisen que 2 à 6 Vols). La puissance consommée es << TTL : de l'ordre de. mw couran rès faible < m. Les olérances sur les niveaux logiques son du même ordre qu en TTL.. 28

32 Elecronique Numérique. Logique combinaoire Un des problèmes à maîriser a éé la proecion des enrées conre les surensions d'origine saique, la couche d'oxyde des grilles es en effe rès fragile. La soluion a éé rouvée en inégran des diodes au niveau des enrées. cuellemen ce sysème foncionne bien e enlève ou souci à l'uilisaeur concernan des manipulaions desrucrices. ircui de proecion d'enrée + V DD La figure suivane représene un NND à deux enrées. PORTE NND (MOS) + V DD B M M 2 S M 3 M 4 Si l'une des enrées es au zéro le MOS correspondan M ou M 2 de ype P es conduceur amenan S au +V DD. Si au conraire e B son à +V DD, M e M 2 son bloqués mais M, M conduceurs, fixen S au zéro. Un MOS n'ayan pas de ension d'offse les niveaux de sorie (sans charge) son rigoureusemen +V DD e zéro, les impédances de sorie éan les résisances des canaux, ces résisances son de l'ordre du kω. Le couran d'enrée es oujours rès faible, ypiquemen p, le couran suscepible d'êre délivré en sorie es au maximum de l'ordre du milliampère. u moins en foncionnemen len, la sorance es donc rès grande. Les consruceurs l'annoncen supérieure à omme pour la famille TTL, il y a 3 varianes pour le circui de sorie : oem pole, open drain, ri-sae. Les principaux circuis de la série 4 son les suivans : 4 uadruple NOR à deux enrées, 4 uadruple NND à deux enrées, 49 Six inverseurs (Buffer inverseur), 4 Six amplis non inverseurs (Buffer), 43 Double bascule D, 427 Double bascule JK, 442 uadruple bascule D (lache), 47 Décade DB à sories décodées, ec

33 Elecronique Numérique. Logique combinaoire Soi la pore analogique (46) représenée ci dessous : M P E S M 2 N I Vc ommande Si V =, M2 canal N es conduceur ainsi que M qui, grâce à l'inverseur I voi sa grille porée au ; les deux MOS se comporen alors comme leur résisance de conducion 2 Ω e Vou = Vin. Si au conraire V =, M e M 2 son bloqués, leur résisance de fuie éan supérieure à Ω. En plaçan un sysème de ce ype en sorie d'un circui logique, on obien le même résula qu'avec le monage ri-sae de la TTL. Le 46 peu êre uilisé avec des signaux d'enrée analogiques, son comporemen es celui d'un inerrupeur mécanique à commande élecrique : E E 46 S kω S Les circuis MOS son de plus en plus uilisés grâce à leur souplesse d'emploi : niveaux de sorie rès bien définis. - grande immunié au brui (mais en conre parie les impédances d'enrée favorisen la récepion de signaux parasies rayonnés). - possibilié de foncionnemen dans une large plage de ensions d'alimenaion. - rès faible consommaion. - Une dernière propriéé des MOS, liée à leur impédance d'enrée e comporemen en sorie e la possibilié de les uiliser dans les configuraions où ils foncionnen de façon pseudo-linéaire : amplificaeur, oscillaeurs, ec... vec les séries 4 e 4, on rouve aussi la série 74 don les circus son compaibles broche à broche avec ceux poran le numéro correspondan en logique TTL Les inerfaces enre familles Pour des raisons d incompaibilié enre les familles logiques, ous les circuis logiques connecés d un monage doiven êre de la même famille; dans le cas conraire, il fau en oure prévoir des circuis d inerfaçage. e son des circuis permean l'associaion de circuis logiques apparenan à des familles logiques différenes. Les cas les plus souven renconrés son : - l'aaque d'une logique lene, le plus souven TTL, par une logique ulra rapide (EL). L'inverse éan sans inérê. - une associaion de circuis TTL e MOS.. 3