Cours Familles des circuits intégrés (C.I.)

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1 Module électronique numérique Cours Familles des circuits intégrés (C..) Année E. AGOURANE

2 Familles des circuits intégrés (C..) - ntroduction Les circuits intégrés numériques sont des montages qui regroupent plusieurs composants : des résistances, des diodes et des transistors. ls sont fabriqués dans un matériau semi-conducteur (substrat), le tout est protégé par un boîtier de plastique ou de céramique où sortent des broches qui serviront de connexion (pins). Les C.. peuvent être regroupés selon : La complexité mesurée par le nombre de portes équivalentes réalisées dans le substrat : Gamme Nbre de porte/mm 2 Exemple de C.. SS smal scal integration <12 Portes (ou, et, ), bascules MS medium scal integration 12 à 99 Compteurs, registres, additionneurs,. LS large scal integration 100 à 9999 Mémoires, microcontrôleurs, microprocesseurs VLS very large scal integration à Mémoires, microcontrôleurs, microprocesseurs ULS ultra large scal integration > Mémoires, microcontrôleurs, microprocesseurs Leurs sorties soient TOTEM POLE, collecteur ouvert ou sortie à trois états Le type de transistor utilisé : i) bipolaires la principale famille est TTL (transistor transistor logique) ii) unipolaires la plus répandue est la famille CMOS (complémentaire métal oxyde semiconducteur) - Caractéristiques d un C.. Les caractéristiques d un C.. sont regroupés dans les fiches techniques du fabriquant qu on peut télécharger à partir de leurs sites internet. 1) Caractéristiques mécaniques : Le boîtier : a) Les boîtier plat (flat package) ont de très faible épaisseur et ils sont soudé du côté composants b) Les boîtier DP ou DL (dual in line) c est les plus fréquent, ils ont de 8 à 64 broches réparties en 2 lignes. On trouve des DL en plastique ou en céramique suivant le matériau utilisé pour protéger le circuit. Lorsque les broches sont réparties uniquement sur un seul côté on parle d un boîtier SP ou SL (single in line) c) Les boitier SO (small outline) c est un boîtier où l espace entre les broches est très réduit (x2), les broches sont codées et courtes pour une soudure coté composants (CMS).

3 d) Les boîtier PN GRD ARRAY (réseau de connexions) les broches sont réparties sur la périphérique du circuit suivant un ou plusieurs tours. Gamme de température : Les circuits sont classés en deux grandes catégories suivant la plage de température de fonctionnement : - la gamme dite militaire de -55 à +125 C - la gamme industrielle de 0 à 70 C 2) Caractéristiques électriques a. Paramètres de courants et de tensions V H (min) : tension d entrée niveau haut, c est le niveau minimale de tension acceptable pour un 1 à l entrée. V L (max) : tension d entrée niveau bas, c est le niveau de tension maximal pour avoir un niveau 0 en entrée. V OH (min) : tension de sortie niveau haut V OL (max) : tension de sortie niveau bas H : courant d entrée niveau haut L : courant d entrée niveau bas OH : courant de sortie niveau haut OL : courant de sortie niveau bas b. Retardes de propagation Le temps de propagation c est le temps nécessaire pour que la sortie commute à la suite d un changement des entrées du circuit. l y a deux types de retards de propagation : t PLH : retard pour que la sortie passe du niveau bas (Low) au niveau haut (High) t PHL : retard pour que la sortie passe du niveau haut au niveau bas. c. Consommation Les C.. sont alimentés par une tension constante appelée V CC (ou V DD ). Le courant absorbé par le C.. est variable suivant l état des sorties, on définit alors les courants suivants : CCH : le courant qui est absorbé lorsque toutes les sorties sont au niveau haut CCL : le courant qui est absorbé lorsque toutes les sorties sont au niveau bas La consommation moyenne est donnée par : P D moy = CC (moy).v CC Avec : CC(moy) = ( CCH + CCL )/2 d. Sortance La sortance est définit comme étant le nombre maximal de portes du même type qu on peut brancher à une même sortie. Généralement elle faut la calculée à partir des paramètres courants. On calcul le nombre de porte qu on peut brancher à l état bas et à l état haut : L H OL (max) N OL OH 1 est le nombre L (max) L H maximal de portes qu on peut brancher sur la sortie au niveau bas OH (max) N 2 est le nombre H (max) maximal de portes qu on peut brancher sur la sortie au niveau haut Sortie niveau bas L L Sortie niveau bas H H

4 Tension La sortance est égale au minimum des deux nombres N 1 et N 2. e. Marge de sensibilité aux bruits Les états des niveaux logiques pour une sortie et pour une entrée sont schématisés sur la figure ci contre. Les marge de sensibilité sont définis par : V NH = V OH (min) V H (min) : marge de sensibilité à l état haut V NL = V L (min) V L (min) : marge de sensibilité à l état bas Toute tension inférieure à V OL (max) est traduite comme un niveau bas à la sortie. Toute tension inférieure à V L (max) est traduite comme un niveau bas à l entrée. Toutes tensions comprises entre V CC et V OH (min) (V H (min)) sont considérées comme niveau haut en sortie (entrée). Les tensions qui se trouvent dans la bande indéterminée ne doivent jamais apparaître sur la borne de sortie ou d entrée. Quand une sortie logique à l état haut attaque l entrée d un circuit logique, et si un champ électromagnétique extérieur provoque une pointe de tension négative supérieur à V NH qui va parasité la ligne du signal (de la sortie à l entrée). Cette pointe de tension provoquera un abaissement de la tension à l entrée du circuit et qui va se retrouver dans la bande indéterminée et le fonctionnement du circuit devient imprévisible. De même pour une sortie à l état bas avec une pointe positive supérieure à V NL on aura le même problème. Les circuits qui possèdent une marge de sensibilité plus grande sont conçus pour fonctionner dans un environnement très parasité. - Sorties des C.. de la famille TTL l existe trois type de sortie des circuits de la famille TTL: a. Sortie TOTEM : C est le circuit de sortie des C.. TTL connu sous le nom de totem pole. Lorsque Ve= 0, T1 est bloqué donc T3 est bloqué. état logique 1 Bande indéterminée B état logique 0 Gammes des niveaux de sortie V OH (min) V OL (max) V H (min) V L (min) état logique 1 état logique 0 La base de T2 est alimentée par V CC à travers R 1, donc T2 est saturé, et le courant de l émetteur est fourni à la sortie à travers la diode D. La sortie est donc au niveau 1. Lorsque Ve= 1, T1 est saturé, son courant émetteur va permettre la saturation de T3, ce qui va amener la tension du point B 0.6V et la tension au point A 0.6V puisque T1 est saturé. Le transistor T2 est donc bloqué à cause de la présence de la diode D qui nécessite 0.6V pour conduire (pour que T2 conduise il faut une tension de base de 1.2V). La sortie est donc au niveau 0.Ce circuit représente donc un inverseur. En réalité, le circuit de sortie est un peu modifié dans les C.. pour régler les problèmes de fuite, de sécurités des transistors. Le schéma d un NAND par exemple est : V NH V NL B Gammes des niveaux d entrée

5 b. Sortie COLLECTEUR OUVERT ( drain ouvert pour CMOS): Le montage pour une sortie à collecteur ouvert est donné sur le schéma ci contre. La sortie est prise à partir du collecteur du transistor T3 qu est non connecté (d où le nom collecteur ouvert). Pour que ce montage fonctionne il faut ajouté une résistance extérieur pour relier le collecteur à V CC. Cette résistance est calculée à partir des courants d entrée du circuit attaqué et des courants de sorties du circuit. Ce type de sortie est utilisé principalement : Pour réaliser un «ET CABLE» : Contrairement à une sortie standard totem pole, il est possible de relier plusieurs sorties sans risque de conflit. Le fait de raccorder les sorties est équivalent à un ET. V CC A B C D R S = AB. CD ET cablé Cette sortie permet de piloter une charge avec une tension supérieure à la tension d'alimentation du circuit.

6 c. Sortie TROS ETAT : C est un troisième type de circuits de sortie pour TTL (existe aussi en CMOS). l possède trois états de sortie possibles : haut, bas et haute impédance (tristate). L état haute impédance se réalise lorsque les deux transistors en totem sont bloqués tous les deux, la sortie présente donc un état de haute impédance par rapport à la masse. Exemple : inverseur à trois états. Lorsque l entrée de validation E = 1 le circuit est un inverseur normale. Lorsque E = 0 les deux transistors sont bloqués, et la sortie présente un état haute impédance. Ce type de circuit est utilisé pour connecter simultanément plusieurs circuits sur un même bus, un seul des circuits est connecté à un instant, les autres sont en haute impédance pour éviter les conflits. C'est le cas dans les microsystèmes avec le bus de données sur lequel sont raccordés de nombreux circuits (RAM, ROM...) V- Familles des C.. Dans le marché les C.. se présentent sous plusieurs famille de C.., les principaux familles sont : 1. Famille TTL Les C.. de cette famille ont comme numéro d identification 74 ou 54. La série 54 se distingue par une plage plus large pour la tension d alimentation et pour la température de fonctionnement (-55 à 125 C) elle est coûteuse, donc réservée aux utilisations dans des conditions ambiantes extrêmes : militaire, engins spatiaux, Pour distinguer entre différents fabricants des C.. un préfixe est réservé sur le face du C.. : SN7402, DM7402, S7402,. SN : Texas instruments DM : National semi conducteur S : Signetics a. Les principales séries TTL : Les différents critères entres les séries TTL sont : La consommation La vitesse Série Caractéristiques 74 c est la série standard elle offre un bon compromis entre vitesse et consommation 74L possède une consommation réduite mais un temps de propagation plus élevé 74H possède une vitesse de commutation plus rapide et consommation grande 74S elle est deux fois plus rapide que 74H pour la même consommation 74LS faible consommation et moins rapide que 74S 74AS fonctionne plus rapide et consomme moins elle meilleure que 74S 74ALS meilleure version que 74LS Le tableau suivant regroupe les principales caractéristiques des différentes séries TTL.

7 S N 7 4 L S 0 0 Numéro de la porte Série LS Famille TTL dentificateur du constructeur 2. Famille ECL (Emitter Coupled Logic) C est la famille la plus rapide sur le marché, sa rapidité résulte de l utilisation de la paire différentielle à couplage par les émetteurs. Exemple : Porte OR/NOR. A B C OR NOR C MC La famille ECL la plus répandue est la série (ou 10k) qui possède un temps de propagation de l ordre de 2ns. Les séries les plus récentes 10kH et 100k possède un temps de propagation inférieure à 1 ns, cependant elles possèdent une consommation élevée. Elle repose sur une technologie chère donc réservée aux applications où un gain en vitesse réduit le coût du système. Elle trouve son application aux hautes fréquences telles que les télécommunications, le traitement des signaux 3. Famille MOS et CMOS La famille MOS regroupe les PMOS (que des transistors de type P) et les NMOS (que des transistors de type N), la famille CMOS utilise les deux types de transistors. Ci-dessous un exemple de porte conçu à partir de la famille NMOS et CMOS.

8 V DD A PMOS S B NMOS NAND NMOS NAND CMOS Les principales caractéristiques de cette famille : Plus lente Faible consommation, donc réservée aux applications à pile Sortance plus élevée Densité d intégration supérieure (car on utilise que des transistors) Sensibilité à l électricité statique (il ne faut jamais laisser une entrée en l air). Cette famille trouve son application dans les dispositifs LS et VLS (mémoire, microcontrôleur, microprocesseur ) La CMOS comporte plusieurs séries. Les anciennes séries 4000 et non compatible avec la TTL, et les nouvelles séries 74C, 74HC, 74HCT qui ont le même brochage que la TTL. V- Comparaison des différentes familles : Technologie Vitesse Consommation Densité TTL ECL NMOS PMOS CMOS Très grande Moyenne Petite Très petite Très grande Très petite Petite Petite Très grande V- Association des familles : Dans une application donnée on peut avoir recours à différentes familles afin de profiter des avantages qu elles offrent. Toutefois, il faut faire attention lors du raccordement des différentes familles car les niveaux de tensions et de courants ne sont pas les mêmes (non compatibilités). l est capital de consulter les fiches techniques des composants pour connaître les paramètres de tensions et de courants des sorties et des entrées, pour pouvoir concevoir un circuit d interface pour satisfaire les besoins en courant et en tension des circuits pilotés. Et généralement la famille TTL peut être piloté par les nouvelles séries CMOS (V DD =V CC =5V) Et pour que la TTL pilote un CMOS (V DD =V CC =5V) soit : On intercale simplement une porte de la famille HCT On utilisé une sortie à collecteur ouvert (représentée par

9 le symbole : ). La sortie TTL délivre une tension V OH très proche de V H (min) de l'entrée CMOS. l est donc préférable de relever le potentiel de la sortie TTL. La solution la plus simple consiste à utiliser une résistance de rappel à la source Rp. V CC (max) V OL L OL V R P CC (min) V OH H OH Une valeur trop grande de Rp diminuera la fréquence maximale d utilisation et une valeur trop petite augmentera la puissance dissipée.