Technologie des circuits intégrés numériques

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1 Nous allons au cours de cee présenaion passer en revue les principales noions liées aux circuis inégrés numériques. Après avoir vu la manière de réaliser les foncions logiques de bases, e les caracérisiques de ces réalisaions, nous nous inéresserons aux différenes familles de circuis disponibles. Le domaine des circuis inégrés numérique, en pleine évoluion, voi la dispariion des familles radiionnelles de circuis (TTL, série 4000 ) présenan des foncions figées au profi de nouveau circuis enièremen configurables (CPLD, FPGA en echnologie CMO). La compréhension des documenaions echniques de ces nouveaux circuis, ainsi que l'éude de sysèmes un peu anciens, nécessie cependan la connaissance des caracérisiques des anciennes familles. 1 Réalisaion des foncions logiques Réalisées iniialemen avec des diodes, les foncions logiques son aujourd'hui synhéisées généralemen au moyen de ransisors généralemen MO foncionnan en commuaion (sauf cas pariculier), afin de limier la consommaion e l'échauffemen. Les schémas ci-après donnen un exemple de réalisaion simple de foncions combinaoires de base. Pour plus de généralié le ransisor a éé représené par un inerrupeur commandé par un signal d'enrée (si ce signal es au NL1 l'inerrupeur es fermé, il es raversé par un couran e la ension à ses bornes es nulle). foncion NON foncion NOR foncion N AN D CC C C C C R R R La résisance R uilisée dans ces schémas pose de nombreux problèmes : rop faible, elle condui à une dissipaion CC /R² imporane, andis que rop grande elle augmene l'impédance de sorie de la pore, d'où des niveaux logiques de sorie dépendan de la charge e un emps d'éablissemen du signal imporan, à cause, enre aures, de la capacié parasie C P enre le poin e la masse (la consane de emps valan R C P ). Il es donc préférable de remplacer R par un ou plusieurs ransisors (en foncion du nombre d'enrées). Prenons l'exemple d'une foncion NON (voir schéma ci-après) : le ransisor ajoué a un foncionnemen complémenaire à celui du bas (si l'enrée es au NL1 l'inerrupeur es ouver, aucun couran ne circule). C'es sur cee base que son consruis les éages de sorie des circuis numériques. Denis Rabasé IUFM Aix Marseille 1/1

2 foncion NO N CC foncion NAND C C foncion N OR CC Nécessié de l'inégraion Les foncions logiques son raremen synhéisées par des composans discres (c'es à dire non inégrés avec d'aures composans dans un boîier unique). La réalisaion d'un sysème numérique complexe (un ordinaeur par exemple) par ce moyen conduirai à un produi volumineux, cher (maière e monage), peu fiable (problème de connecique) e len (capaciés parasies). Aussi es-il indispensable de rassembler les foncions dans des circuis inégrés plus ou moins complexes regroupan quelques pores, ou plusieurs milliers (microprocesseurs, FPGA). Un circui complexe nécessiera un nombre de connexion imporan avec l exérieur, d où de formes de boîiers rès différenes, du classique DIL (Dual In Line) 14 broches, aux boîiers PLCC (Plasic Leaded Chip Carrier) ou BGA (Ball Grid Array) : boîiers DIL (Dual In Line) boîiers e suppors PLCC (Plasic Leaded Chip Carrier) boîiers BGA (Ball Grid Array) Denis Rabasé IUFM Aix Marseille 2/2

3 3 Caracérisiques d'un circui logique Les concepeurs de sysème on longemps eu à choisir enre différenes familles logiques (TTL, CMO ec ) pour leurs réalisaions, le compromis se faisan souven enre la rapidié e la consommaion des circuis. Ce ype de choix se fai aujourd hui pluô au niveau d un circui, mais les crières son resés les mêmes. 3.1 Rapidié On la caracérise par le emps de propagaion moyen p d'une pore par un signal. 1 CC 0,5 CC 0 CC LH HL p = phl + 2 plh 0,5 CC 0 La fréquence maximale de foncionnemen dépendra beaucoup de cee valeur, mais aussi de la complexié de l ensemble du sysème e de la manière don il es conçu. 3.2 Consommaion Dès que le sysème à mere en oeuvre es imporan, la consommaion d'énergie des circuis devien un paramère criique. Il fau alors prévoir une alimenaion puissane e l'évacuaion de la chaleur accumulée dans les circuis. L'imporance de la consommaion es encore plus grande si le monage es prévu pour foncionner sur baerie. Il fau disinguer la consommaion saique (au repos, lorsque aucune opéraion n'es demandée), de la consommaion dynamique qui va généralemen dépendre de la fréquence à laquelle le sysème foncionne. 3.3 Tension d'alimenaion Les consruceurs de circui inégrés numériques diminuen de plus en plus les ensions d alimenaion ; cela perme de gagner en consommaion e en densié d inégraion. D une valeur classique de 5 il y a quelques années, nous sommes passés en dessous des 2 aujourd hui. 3.4 Niveau de couran e ension, enrance (fan in) e sorance (fan ou) Même si la sorie d une pore fournie des niveaux logiques 1 e 0 (NL1 e NL0), qui son censés êre respecivemen à 5 e 0 par exemple, cee sorie peu aussi êre vue comme un généraeur de Thévenin équivalen. n effe, plus on lui demandera de fournir du couran à l éa hau e plus sa ension de sorie diminuera (endan vers le NL0), plus on lui demandera d absorber de couran à l éa bas e plus sa ension de sorie augmenera (endan vers le NL1). Afin de minimiser le risque de confusion enre les NL0 e NL1, ceux-ci doiven êre associés à des ensions les plus éloignées possibles l une de l aure (immunié aux bruis). Le consruceur se doi donc de rouver un compromis enre ces différens paramères. Pour cela, il garani en sorie à l éa hau, un niveau de ension OHmin (O pour oupu - H pour high) au-dessous duquel la sorie ne descendra pas, si on ne lui fai pas débier un couran supérieur à un couran I OH MAX. Lorsque la sorie es au niveau bas, il garani un niveau de ension OLmax au-dessus duquel la sorie ne monera pas, si on ne lui fai pas absorber un couran garani I OL MAX. Cee dernière valeur es généralemen négaive, un couran posiif éan par convenion enran. Denis Rabasé IUFM Aix Marseille 3/3

4 Pour que OHmin e OLmax puissen êre correcemen inerpréé par l enrée de la pore suivane, on défini pour celle-ci un IHmin e un ILmax. 1 1 O I O I CC zone inerdie OHm in OLm ax IHmin ILm ax zone d'inceriude On doi évidemen vérifier pour un foncionnemen correc de l'ensemble : OHmin > IHmin e OLmax < ILmax Avec les mêmes indices le consruceur précise les courans maximaux que va absorber l'enrée de la pore I IH MAX (enrée NL1) ou qui sorira de cee enrée I IL MAX (enrée au NL0). Cee dernière valeur es généralemen négaive, un couran posiif éan par convenion enran. Le rappor, à un NL donné, enre couran garani en sorie e couran en enrée donne le nombre d'enrée pouvan êre commandé par une sorie, nombre appelé aussi sorance. Cerains circuis complexes (compeurs ec...) on des enrées correspondan à N pores élémenaires, les courans mis en jeu en enrée son alors N fois plus imporan que sur une pore élémenaire : on parle alors d'une enrance de N pour cee enrée pariculière. Ces deux dernières noions ne présenen plus beaucoup d inérê pour les nouvelles généraions de circuis numériques, où les échanges d informaions se fon en inerne, la communicaion avec l exérieur se faisan par l inermédiaire de sories amplifiées e d enrée ampon. 3.5 Immunié aux bruis Un sysème élecronique es soumis à des perurbaions élecromagnéiques d'origines diverses. L'immunié aux bruis caracérise la capacié des circuis à foncionner correcemen dans un environnemen ainsi parasié. On disinguera une immunié saique (face à une perurbaion basse fréquence) qui dépendra foremen des niveaux de ension précédemmen définis, e une immunié dynamique (face à une perurbaion haue fréquence) Immunié saique i on relie la sorie d une pore à l enrée de la suivane, par une ligne bruiée, se comporan comme un généraeur de valeur B, l'éude des niveaux d'enrée e de sorie perme de mere en évidence que la valeur maximale de B permean un foncionnemen correc es la valeur minimale (en générale elles son égales) enre OH MIN - IH MIN e IL MAX - OL MAX. Cee valeur représene l'immunié saique aux bruis Immunié dynamique La modélisaion de ces perurbaions es beaucoup plus complexe. D'une manière générale, on peu dire qu'une impulsion parasie doi fournir une ceraine énergie pour perurber le foncionnemen d'une pore, cee énergie éan proporionnelle au carré de l'ampliude de l'impulsion e à la durée de celleci. Nous obenons donc des courbes d'immunié aux bruis ayan l'allure suivane : Denis Rabasé IUFM Aix Marseille 4/4

5 am pliude de la perurbaion foncionnem en incorrec foncionnem en correc zone dynam ique zone saique durée de la perurbaion 4 nrées e sories pariculières Les consruceurs on prévu des pores un peu pariculières don l'éage de sorie ou d'enrée diffère de la srucure de base définie au paragraphe précéden. 4.1 ories à colleceurs ou drain ouver La parie supérieure de l'éage de sorie a éé supprimée. n echnologie bipolaire on parle de sories à colleceur ouver e de sorie à drain ouver en echnologie MO. On les désigne aussi sories à un éa (le niveau logique 1 n'éan pas imposé par le circui inégré) circui inégré CC1 CC2 = CC1 charge On peu ainsi aaquer avec ce éage de sorie des charges sous des ensions différenes de l'alimenaion du circui inégré conenan la pore. n relian plusieurs sories de ce ype, on réalise une foncion T die câblée, la ou les sories à l'éa bas imposan un NL0 (voir le schéma de base de la foncion NOR). C es sur ce principe que repose la communicaion enre les circuis, pour ceraines normes de bus (bus I²C par exemple). Il es imporan de noer que ces sories ne peuven foncionner à vide, le niveau logique hau éan donné par la charge. Les pores à colleceur ou drain ouver son repérées sur un schéma par le symbole suivan : 4.2 ories rois éas Les sories classiques son soi à l'éa hau, soi à l'éa bas. Ici il es possible (par l'inermédiaire d'une broche de commande du circui inégré) d'ouvrir en même emps les deux ransisors de sorie. Celle-ci es alors déconnecée du rese du monage e on parle d'éa haue impédance (HI). Le circui es di à sorie rois éa. Denis Rabasé IUFM Aix Marseille 5/5

6 éa hau CC éa bas C C éa haue im pédance C C = 0 = 1 = 1 = 0 L'inérê de ce circui es primordial dans les sysèmes à microprocesseur, les sories de plusieurs boîiers éan reliées ensemble par l'inermédiaire d'une ligne de bus. Les boîiers imposen our à our un niveau logique sur la ligne de bus, ce niveau ne devan pas enrer en confli (c'es à dire provoquer un cour-circui) avec ce qu'imposerai un aure boîier, comme le monre la figure ci-après (à gauche) où une ligne sur le bus à éé déaillée. CC CC boiier 1 boiier 1 BU BU C C C C boiier 2 cour-circui couran de cour circui boiier 2 Le ou les boîiers non acifs doiven donc se placer en éa haue impédance (figure de droie). Le symbole associé aux sories rois éas es le suivan : 4.3 ories amplifiées (buffer, power driver) lles peuven fournir (au NL1) e absorber (au NL0) un couran plus imporan que les sories classiques e peuven ainsi commander des lignes rès chargées. Cerains circuis comprennen 4 ou 8 pores de manière à commander un bus comple; on parle alors d'amplificaeur de bus (bus ranceiver). Un riangle sur le symbole de la pore indique le sens de propagaion du signal : 4.4 nrées à hysérésis (rigger de chmi) Pour une pore classique le signal à l'enrée es inerpréé comme éan au niveau logique 1 s'il es audessus d'une ceraine valeur noée IHmin e comme au niveau logique 0 s'il es en dessous d'une ceraine valeur noée ILmax.. nre ces deux valeurs se rouve une zone d'inceriude où le consruceur ne garani pas le foncionnemen. Ce mode de foncionnemen peu poser problème si le signal d'enrée es perurbé par un signal parasie. Denis Rabasé IUFM Aix Marseille 6/6

7 1 IHm in ILmax 0 0 Avec une pore à enrée hysérésis, il exise deux seuils de basculemen H e L : le signal d'enrée es compris comme un NL1 s'il passe au-dessus du seuil hau e comme un NL0 s'il passe en dessous du seuil bas. Mais cee fois il n'y a pas de zone d'inceriude : lorsque le signal passe enre les deux seuils il garde la valeur logique qu'il avai avan de franchir l'un des seuils. Ces pores son pariculièremen inéressanes pour remere en forme un signal dégradé. 1 H L 0 0 La caracérisique de ransfer de cee pore es représenée ci-après (on y rerouve le sigle associé à la représenaion précédene). C C 0 L H CC 5 Principales familles logiques 5.1 Familles logiques à ransisors bipolaires saurés (familles TTL) Aujourd hui complèemen obsolèes, ces familles on marqué le monde du circui numérique an leur diffusion fu imporane. Denis Rabasé IUFM Aix Marseille 7/7

8 Les foncions logiques des ces circuis (non programmables) son réalisées à parir de ransisors bipolaires ( TTL pour Transisors Transisor Logic). Les circuis TTL on éé déclinés en plusieurs sous familles, la série la plus répandue es la «Low Power choky», apparue en 1971, réalisée à parir de composans schoky (joncion semiconduceur méal, inéressanes pour leur rapidié), e de référence 74 L XX (le XX représenan la foncion du circui ; exemple 74L00 es un circui à 4 pores NAND). Comme ou les circuis TTL, cee série s alimene en 5 à +/-5% (+/-10% pour les séries miliaires référencées 54LXX); lle consomme environ 2mW par pore (ce qui es énorme aujourd hui) e présenai un emps de propagaion de 10 ns. Ces circuis on laissé aujourd hui des races imporanes en ce qui concerne les référence des circuis (par exemple pour les séries CMO du paragraphe suivan, ou pour les bibliohèques des logiciels de programmaion des FPGA). Les niveaux logiques d enrée e de sorie des circuis modernes son égalemen souven définis par une compaibilié TTL avec OH MIN = 2,7, IL MAX = 0,8, IH MIN = 2,3 e OH MIN = 0, Familles logiques à ransisor MO La mise au poin du ransisor MO (Meal Oxyxde emiconducor) a complèemen révoluionné la concepion des circuis numériques en présenan deux avanages imporans : - une consommaion saique rès faible, grâce à une commande en ension par la grille (aenion ouefois à la consommaion dynamique qui augmene avec la fréquence) - une densié d'inégraion bien plus grande qu'en bipolaire. Les premiers ransisors MO dans les années 70 nécessiaien une largeur de canal d'environ 20 µm. On sai fabriquer aujourd'hui des ransisors d'une largeur de canal de 0,1 µm e moins. Le principal inconvénien es resé longemps le manque de rapidié, causée par les capaciés parasies, en pariculier la capacié grille source. D'énormes progrès on éé fais, e les circuis HCMO (High speed Complemenary MO) par exemple son aussi rapides que les TTL L, mais pour une consommaion saique mille fois plus faible Principe des circuis CMO Le schéma d'un inverseur es beaucoup plus simple qu'en TTL e reprend exacemen le schéma de base donné au débu en uilisan deux ransisors complémenaires (canal N e P), d'où le C dans CMO pour "complemenary". dd dd dd P2 2 P2 P1 P1 2 P1 N2 N1 1 N1 N2 1 N1 foncion NON foncion NOR Il en es de même pour les foncions NOR e NAND. foncion NAND Des différens schémas que nous venons de voir, on peu déduire une règle essenielle de l'uilisaion des circuis CMO : la commande se faisan en ension e l'enrée éan une capacié parasie grille source qui ne demande qu'à se charger par ous les moyens (couplages divers, ondes élecromagnéiques) à un poeniel indéfini, une enrée non uilisée ne devra jamais reser en l'air, mais êre reliée à l'alimenaion. Denis Rabasé IUFM Aix Marseille 8/8

9 La simplicié des foncions réalisées par des ransisors MO complémenaires perme aux circuis CMO de foncionner dans une large gamme de ension d'alimenaion (3 à 18 pour la série 4000). D'une manière générale, diminuer la ension d'alimenaion (oues choses éan égales par ailleurs) reviens à diminuer la puissance consommée, mais égalemen le couran maximal disponible en sorie e à augmener le emps de propagaion. La puissance consommée sera quan à elle proporionnelle à la capacié de charge, à la fréquence e au carré de la ension d'alimenaion : P=f (C L, f, DD ²). Le ableau ci-après présene les principales familles CMO, don les caracérisiques communes son une fore impédance d'enrée, une sorance élevée (>50 en basses fréquences) e une faible consommaion. NOM DAT D'APPARITION ALIMNTATION AMLIORATION DIGNATION (exemples) érie à 18 consommaion, sorance, impédance d'enrée, plage d'alimenaion, mais p voisin de 100 ns érie C à 18 même brochage que la TTL 74 C C 00 érie HC à 6 aussi rapide que la série TTL L p=10 ns P=f(C L, f, DD ²) 74 HC HC HC HC 4002 érie HCT à 10% compaibilié oale avec la TTL L 74 HCT HCT 00 érie AC à 6 3 fois plus rapide que 74 AC 00 la série HC érie ACT à 10% compaibilié avec les 74 ACT 00 séries TTL érie AHC e 3,3 consommaion deux fois plus faibles que la série AC 74 AHC 00 érie AHCT à 10% compaibilié avec les séries TTL 74 AHCT 00 De oues ces séries ne subsisen aujourd hui que la série HC (même si les aures séries son encore commercialisées). A ire indicaif, la figure ci-après rappelle les différenes ensions d'alimenaion e couran disponible en sorie : ension d'alim enaion couran de sorie 15 8 m A cc= m A I O L I O H 5 1 m A C M O 74H C TTL 74L C M O C D 4000 C M O 74H C T T L 74L C M O C D 4000 Denis Rabasé IUFM Aix Marseille 9/9

10 5.2.2 Logique NMO e PMO Les circuis à large densié d inégraion LI (ery Large quare Inegraion), comme les mémoires e les microprocesseurs, on longemps éé synhéisés avec uniquemen des ransisors NMO ou PMO, d où le nom de la famille. Depuis le milieu des années 80, les progrès réalisés permeen d'uilisé la echnologie CMO, avec ous les avanages vus au premier paragraphe. 5.3 Familles logiques combinan ransisors bipolaires e MO (echnologie BICMO) On va essayer dans ces circuis de combiner les avanages des deux ypes de ransisors bipolaires (solidié) e MO (fore densié d inégraion). Ces circuis son surou uilisés pour ransmee des données sur des lignes de bus. Les références de ces circuis son souven de la forme 75XXX pour les anciens circuis, les nouvelles séries éan référencées 74ALBXX, 74LTXX, 74ABTXX ec Familles logiques à ransisors bipolaires non saurés (familles CL) L'idée éai ici de gagner en viesse sans se préoccuper de la consommaion : on uilise donc des ransisors bipolaires que l'on fai foncionner en bloqué passan, ce qui éviera le reard dû à l'exracion des charges dans la base lors du blocage. On parle alors de echnologie CL : "emier coupled logic", logique à ransisors couplés par l'émeeur. Apparue au débu des années soixane, cee echnologie perme d'obenir des emps de propagaion inférieurs à la ns pour une consommaion de l'ordre de 25 mw par pore. La rapidié de commuaion impose de condiions d'uilisaion assez draconiennes (adapaion d'impédance, lignes coures ec...) andis que la puissance consommée limie l'uilisaion au sric nécessaire e l'inerfaçage dès que possible avec une echnologie CMO. Ce ype de circui ne présene que peu d inérê aujourd hui, concurrencée par des circuis spécifiques à composans plus rapides. 5.5 Résumé Les circuis inégrés logiques TTL uilisan des ransisors bipolaires permeen une bonne viesse de foncionnemen, mais on une consommaion imporane (ex p=10 ns pour 2mW par pore en TTL L). Apparus par la suie, les circuis CMO uilisen des ransisors MO complémenaires (canal N e canal P) e permeen une consommaion saique rès faible. Leur principal handicap, le manque de rapidié, a aujourd'hui praiquemen disparu par rappor aux circuis TTL : la famille HCMO, pour une consommaion saique presque nulle es aussi rapide que la TTL L, cee dernière ne présenan plus d'inérê pour les concepions nouvelles. De nouvelle série HCMO (série AC, AHC par exemples) son plus rapide que la TTL L. La consommaion dynamique des séries CMO peu cependan reser imporane : elle croi avec la fréquence e la capacié de charge. La endance acuelle consise à diminuer la ension d'alimenaion, ce qui a pour conséquence une diminuion des dimensions du ransisor, d'où une densié d'inégraion plus grande e une viesse plus imporane. Toues ces familles logiques don les circuis réalisen des foncions figées, enden à disparaîre au profi de circuis inégrés don on peu modifier la srucure inerne : PLD, CPLD, FPGA ec... 6 AIC e composans à réseaux logiques programmables : PAL, PLD, CPLD, FPGA. L'élecronique moderne se ourne de plus en plus vers le numérique qui présene de nombreux avanages sur l'analogique : grande insensibilié aux parasies e aux dérives diverses, modularié e (re)configurabilié, facilié de sockage de l'informaion ec... Les circuis numériques nécessien par conre une archiecure plus lourde e leur mode de raiemen de l'informaion me en oeuvre plus de foncions élémenaires que l'analogique d'où découle des emps de raiemen plus long. Denis Rabasé IUFM Aix Marseille 10/10

11 Aussi les fabricans de circuis inégrés numériques s'aachen-ils à fournir des circuis présenan des densiés d'inégraion oujours plus élevée, pour des viesses de foncionnemen de plus en plus grandes. D'abord réalisées avec des circuis I (mall cale Inegraion) les foncions logiques inégrées se son développées avec la mise au poin du ransisor MO (Meal Oxyde emiconducor) don la facilié d'inégraion a permis la réalisaion de circuis MI (Medium cale Inegraion) puis LI (Large cale Inegraion) puis LI (ery Large cale Inegraion). Ces deux dernières généraions on vu l'avènemen des microprocesseurs e microconroleurs. Bien que ces derniers aien révoluionné l'élecronique numérique par la possibilié de réaliser n'impore quelle foncion par programmaion d'un composan générique, ils raien l'informaion de manière séquenielle (du moins dans les versions classiques), ne répondan pas oujours aux exigences de rapidié. Au débu des années 70 son apparus les premiers composans (en echnologie bipolaire) enièremen configurable par programmaion. La nouveaué résidai dans le fai qu'il éai mainenan possible d'implaner physiquemen par simple programmaion, au sein du circui, n'impore quelle foncion logique, e non plus de se conener de faire réaliser une opéraion logique par un microprocesseur don l'archiecure es figée. D'abord dédiés à des foncions simples en combinaoire (décodage d'adresse par exemple), ces circuis laissen aujourd'hui au concepeur la possibilié d'implaner des composans aussi divers qu'un inverseur e un microprocesseur au sein d'un même boîier ; le circui n'es plus limié à un mode de raiemen séquenielle de l'informaion comme avec les microprocesseurs. L'inégraion des principales foncions numériques d'une care au sein d'un même boîier perme de répondre à la fois aux crières de densié e de rapidié (les capaciés parasies éan plus faibles, la viesse de foncionnemen peu augmener). La plupar de ces circuis son mainenan programmés à parir d'un simple ordinaeur ype PC direcemen sur la care où ils von êre uilisés. n cas d'erreur, ils son reprogrammables élecriquemen sans avoir à exraire le composan de son environnemen. monage du circui non programmé programmaion sur sie reprogrammaion évenuelle De nombreuses familles de circuis son apparues depuis les années 70 avec des noms rès divers suivan les consruceurs : des circuis rès voisins pouvaien êre appelés différemmen par deux consruceurs concurrens, pour des raisons de breves e de sraégies commerciales. De même une ceraine inerie dans l'évoluion du vocabulaire a fai que cerains circuis echnologiquemen différens on le même nom. De ces différenes dénominaions, il ne rese aujourd hui que : - PLD (Programmable Logic Device) : circui logique programmable inégran une marice T programmable, une marice OU fixe e plusieurs cellules de sorie (voir ci-après). - CPLD (Complex Programmable Logic Device) : circui inégran plusieurs PLD sur une même pasille. - FPGA (Field Programmable Logic Array) : réseau programmable à haue densié d'inégraion. Le erme même de circui programmable es ambigu, la programmaion d'un FPGA ne faisan pas appel aux même opéraions que celle d'un microprocesseur. Il serai plus juse de parler pour les PLD, CPLD e FPGA de circuis à archiecure programmable ou encore de circuis à réseaux logiques programmables. Denis Rabasé IUFM Aix Marseille 11/11

12 Ce domaine de l'élecronique es aussi celui qui cerainemen a vu la plus fore évoluion echnologique ces dernières années : - en moins de 15 ans la densié d'inégraion à éé mulipliée par 200 (2000 à pores en 85 pour à en 2000) - en moins de 10 ans la viesse de foncionnemen par 6 (40 MHz en 91 pour 240 MHz en 2000) - la aille d'un ransisor es passée de 1,2 µm en 91à 0,18 µm en les echnologies de concepion on foremen évolué, el consruceur iniiaeur d'un procédé l'abandonne pour un aure, alors que le concurren le reprend à son compe. - la ension d'alimenaion es passée de 5 à 1,8 diminuan ainsi la consommaion. Aussi es-il rès difficile de s'y rerouver e de donner des ordres de grandeurs qui puissen êre comparés Parallèlemen à ces circuis, on rouvera les AIC (Applicaion pecific Inegraed Circuis) qui son des composans où le concepeur inervien au niveau du dessin de la pasille de silicium en fournissan des masques à un fondeur. On ne peu plus franchemen parler de circuis programmables. Les emps de développemen long ne jusifien l'uilisaion que pour des grandes séries. Les PLD, CPLD e FPGA son parfois considérés comme des AIC par cerains aueurs. Le ableau ci-après ene une classificaion possible des circuis numérique : Circuis numériques circuis logiques sandards circuis à foncionnemen programmable circuis à archiecure programmable e faible emps de développemen circuis à emps de développemen imporan 74HC..... microprocesseurs microconroleurs PLD, CPLD, FPGA Asic pré-diffusés Asic pré-caracérisés Asic full cusom 6.1 xemple de. PLD (Programmable Logic Device) de ype 2210 Ce circui uilise une foncion T programmable comme le monre la figure suivane (à gauche) : I 0 I 1 cc I 0 I 1 T T La sorie T réalise une foncion T enre I 1 e I 2 (si les fusibles ne son pas grillés) : si une enrée es au NL0, la sorie le sera aussi ; ce ype de réalisaion de la foncion T perme d obenir facilemen des foncions avec un nombre d enrées imporan (seules 2 on éé représenées sur la figure). Un fusible en série avec chaque diode perme d aciver ou non l enrée associée e ainsi de programmer la foncion. Ce fusible es aujourd hui remplacé par un ransisor MO à grille floane commandable élecriquemen. La figure de gauche donne une représenaion simple de cee foncion, ou chaque croix représene un poin programmable. La figure suivane représene une parie du circui programmable où chaque enrée e son complémenaire es associée à une ligne vericale, qui pourra êre relié ou non suivan la programmaion à l enrée de la foncion T. Toues les sories des foncions T son elles mêmes reliées à une foncion OU non programmable, don la sorie commande un OLMC (Oupu Logic MacroCell, dénominaion du fabriquan Laice). Denis Rabasé IUFM Aix Marseille 12/12

13 La figure suivane déaille la parie nommée OLMC (les foncions OU e T y son égalemen représenées) : Les deux muliplexeurs, don la commande es commune, permeen par programmaion les configuraions suivanes du bloc de sorie : - sorie combinaoire, inversée ou non ; on remarquera que dans ces deux cas, la sorie peu êre uilisée comme enrée. - ou en séquenielle, inversée ou non Denis Rabasé IUFM Aix Marseille 13/13

14 La figure suivane donne une vue d'ensemble du circui : Denis Rabasé IUFM Aix Marseille 14/14

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16 Ce circui présene 12 enrées e 10 OLMC pouvan êre uilisées suivan la programmaion en enrée ou en sorie ; soi au oal 22 enrées poenielles e 10 sories ; la référence associé es alors 2210, le indiquan la versailié des OLMC. Les délais de propagaion des signaux es de 4 ns, auorisan une fréquence de foncionnemen jusqu'à 230 MHz. L'alimenaion se fai en 5 ou 3,3 suivan les versions. 6.2 Programmaion Les éapes de programmaion son assisées par ordinaeur e présenen la chronologie suivane : - descripion de la foncion souhaiée par enrée schémaique ou synaxique ; dans ce dernier cas on uilise un langage approprié appelé HDL (Hardware Descripion Language) comme le langage ABL ou HDL (ery High speed inegraed circui HDL) - simulaion logique puis emporelle de la foncion réalisée e évenuellemen reour à l'éape précédene. - compilaion e généraion d'un fichier de programmaion. - programmaion e es physique du composan. 7 Précauions d'emploi L'alimenaion des circuis inégrés doi êre le moins perurbée possible. Aussi lorsque la source d'alimenaion es éloignée de la care imprimée, un condensaeur de 100 µf (ou plus si un grand nombre de circuis se rouve sur cee care) doi êre placé en parallèle sur la ligne d'alimenaion. Chaque circui doi avoir à son our son alimenaion découplée par un condensaeur non polarisé de 10 nf à 100 nf, placé le plus près possible du boîier. Dans le cas où le circui commue des inensiés élevées (commande d'afficheurs sep segmens à diodes élecroluminescenes par exemple) prévoir en plus un condensaeur de 100 µf. Les enrées des foncions ne doiven jamais reser en l'air. Lorsqu'elles son inuilisées les relier à l'alimenaion. Le niveau logique ainsi imposé doi évidemen êre choisi de manière à permere un foncionnemen correc du monage. n CMO les enrées ne doiven pas êre porées à un poeniel supérieur au "plus" de l'alimenaion e inférieur à la masse (mise en cour-circui des diodes d'enrée). lles ne doiven pas non plus êre mises sous ension avan le circui inégré. Denis Rabasé IUFM Aix Marseille 16/16