Aspects technologiques des circuits

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1 Plan du cours Introduction : création de circuits 1. Codage de l Information 2. Algèbre de Boole 3. Aspects technologiques des circuits 4. Les Circuits combinatoires : Transcodeurs, Aiguilleurs, Comparateurs Opérateurs arithmétiques 5. La Logique séquentielle Circuits de base : les bascules RS, JK, D Registres, registres à décalage, Compteurs 6. Les Circuits programmables L1 MIPCSPI / EC163 /

2 Plan du cours Aspects physiques Aspects temporels Famille Technologique Principe du CMOS Désignation des circuits Evolutions L1 MIPCSPI / EC163 /

3 Circuits électroniques à transistors Les transistors fonctionnent comme des interrupteurs (en saturé/bloqué) 2 niveaux VRAI/FAUX ou 1/0 => logique binaire Soit une porte NON V + V+ et V- sont les tensions d alimentation v I v O V I est la tension présente à l entrée V O est la tension présente à la sortie V - Tous les termes sont en anglais! I (Input) désigne une entrée, O (Output) désigne une sortie H (high) indique l état haut (1 logique) L (low) indique l état bas (0 logique) X indique un état indéterminé. (0 ou 1) L1 MIPCSPI / EC163 /

4 Circuits électroniques à transistors Les transistors fonctionnent comme des interrupteurs (en saturé/bloqué) 2 niveaux VRAI/FAUX ou 1/0 => logique binaire Soit une porte NON et sa fonction de transfert V + V + v O v I v O V OH V - si V I < V ref si V I > V ref => V O = V OH => V O = V OL V OL V - V- V ref V + v I V+, V-, V OH, V OL et V ref dépendent de la technologie et de la famille utilisée L1 MIPCSPI / EC163 /

5 Circuits électroniques à transistors En réalité la commutation n a pas lieu à V ref exactement Soit une porte NON Tension en entrée V I Tension en sortie V O V + V + Niveau logique 1 V + Niveau logique 1 V OH v I v O V IH Bande indéterminée Bande indéterminée V - V IL si V I > V IH => l entrée est vue à l état haut si V I < V IL => l entrée est vue à l état bas V - Niveau logique 0 V OL V - Niveau logique 0 Quand une sortie est à l état haut => V O > V OH Quand une sortie est à l état bas => V O < V OL L1 MIPCSPI / EC163 /

6 Assemblage de 2 portes Porte 1 Porte 2 Exemple: 2 portes NON V I V I V O V O Aspect tension : en réalité pas V ref mais plage de tension Niveau de tension en sortie V O de la Porte 1 Niveau de tension en entrée V I de la porte 2 V + V OH Niveau logique 1 V NH V + V IH Niveau logique 1 Il faut : V OH > V IH V OL < V IL Bande indéterminée Bande indéterminée V OL V - Niveau logique 0 V NL V IL V - Niveau logique 0 V NH et V NL représentent la sensibilité aux bruits (N pour Noise) L1 MIPCSPI / EC163 /

7 Assemblage de plusieurs portes Il faut qu une sortie soit capable de piloter plusieurs entrées V I VO V I V O La sortance = c est le nombre de d entrées qu une sortie peut piloter. Elle est fonction du courant fourni et consommé. V I V O Elle est souvent différente à l état haut et à l état bas L1 MIPCSPI / EC163 /

8 Aspects temporels : temps de commutation Dans la réalité le temps de commutation est 0 t r = t m : temps de montée (rise) t f = t d : temps de descente (fall) V OH v I 90% Le temps est calculé entre 10% et 90% du changement de niveau 50% V + V OH OL 2 V OL 10% tr tf t L1 MIPCSPI / EC163 /

9 v I Aspects temporels : temps de propagation V IH 90% 50% V + V OH OL 2 t P : temps de propagation t PHL : temps de propagation pour passer du niveau Haut au niveau Bas t PLH : temps de propagation pour passer du niveau Bas au niveau Haut t PHL et t PLH sont souvent différents V IL (a) V OH 10% v O 90% 50% tr t PHL tf t PLH t V + V OH OL 2 V OL 10% (b) t 1 t 2 t 3 t 4 L1 MIPCSPI / EC163 / t f tr t

10 Différentes familles technologiques But : aller plus vite et consommer moins Compromis consommation vitesse A adapter aux applications ( mobile, miniaturisation, environnement parasité ) Circuits souvent conçus en logique négative (signaux actifs à l état bas) car nécessite moins de transistors, et consomme donc moins d énergie. Il faut plus d énergie pour mettre un signal à 0 qu à 1: I IL > I IH L1 MIPCSPI / EC163 /

11 Différentes familles technologiques Tension d alimentation : 5V en TTL et de 18V à moins d 1V en Cmos Exemple : porte NAND Transistors à jonctions : Bipolaires (TTL) Transistors à effet de champ (FET) Transistors MOS complémentaires (CMOS) L1 MIPCSPI / EC163 /

12 Principe CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) porte NON transistor CMOS = interrupteur PMOS : fermé si entrée = 0 NMOS : fermé si entrée = 1 PMOS Fonctionnent en opposition(complémentaire): NMOS Si entrée = 1, PMOS ouvert, NMOS fermé => sortie connectée à la masse ( 0 ) Si entrée = 0, PMOS fermé, NMOS ouvert => sortie connectée à l alimentation ( 1) L1 MIPCSPI / EC163 /

13 Principe CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) porte NAND PMOS : fermé si entrée = 0 NMOS : fermé si entrée = 1 PMOS Pour que la Sortie soit connectée à la masse, il faut que les 2 NMOS soient fermés c est-àdire A = 1 et B = 1 NMOS Pour que la Sortie soit connectée à l alimentation, il faut que l un des PMOS soit fermé c est-à-dire A = 0 ou B = 0 A B S L1 MIPCSPI / EC163 /

14 Identification des composants De la forme SN 74 HCT 00 N Préfixe fabricant Gamme 74: commercial 54 : militaire Famille technologique Fonction du circuit 00 : NAND Type de boitier L1 MIPCSPI / EC163 /

15 Evolution des tensions L1 MIPCSPI / EC163 /

16 Evolution Tension Alimentation - Vitesse L1 MIPCSPI / EC163 /

17 Différents types de boitiers L1 MIPCSPI / EC163 /

18 Fabrication des circuits intégrés Du sable au silicium - Fabrication d'un composant INTEL (2 10) ( Fabrication de circuits intégrés (CI) / Microprocesseurs / Puces Thomas Schwenke ( 6 ) ( Wafer = Tranche de silicium comprenant une matrice de circuits intégrés (Ici : Bull DPS7 1984) 7Millions de transistors par circuit intégré Diamètre 7,62cm - Poids:13g L1 MIPCSPI / EC163 / die d un 7404 : 6 portes inverseuses le composant le plus simple ou presque! 18