TP N 4 D ELECTRONIQUE NUMERIQUE. Technologie des composants

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1 ROBERT Véronique GE3 Année TP N 4 D ELECTRONIQUE NUMERIQUE Technologie des composants Le but de ce TP est d étudier les caractéristiques électriques d une même porte logique réalisée dans différentes technologies. Dans une première partie, nous rechercherons la documentation technique de ces composants. Puis nous mesurerons leurs performances électriques et pour finir nous verrons les problèmes d interfaçage entre les différentes familles. I) Préparation. 1) Caractéristiques des différentes portes : La série standard date des années 60 ; elle a été introduite par Texas Instruments avec le préfixe 54 / 74. La série 74 est une série civile contrairement à la série 54 qui est une série militaire. La différence majeure se trouve au niveau des plages de températures et de tension d utilisation qui sont plus étendues pour le série militaire. Le boîtier contient 4 portes NAND. Dans les séries, il existe deux familles de portes : Famille TTL Famille CMOS HC00 74LS00 74HCT00 74S00 74AS00 74ALS00 Pour la famille TTL, la commande se fait sur les courants ( absorption et injection de courant), contrairement à la famille CMOS dont la commande se fait sur les tensions.

2 Famille TTL : C est une famille qui a été utilisée massivement, mais qui est peu à peu remplacée par la famille CMOS. Les circuits TTL utilisent des transistors bipolaires en entrée et en sortie (TTL = Transistor Transistor Logical). Une porte TTL peut commander 10 TTL=sortance 7400 Cette porte NON ET, en TTL standard, possède une consommation et des temps de basculement raisonnables. Aucune amélioration de technologie n est présente sur cette porte. La série standard offre un bon compromis entre vitesse et consommation. D autre séries ont été développées pour optimiser vitesse ou consommation puis des améliorations technologiques ont permis d accroître le produit vitesse consommation. 74LS00 (Low Schottky) Cette porte NON ET est une amélioration de la porte On utilise cette fois la technologie Schottky. Dans cette série, on utilise les principes de la série 74S avec des résistances plus élevées pour limiter la consommation. La consommation par porte est de l ordre de 2 mw et le retard de 9 ns. On a changé un peu les caractéristiques pour moins consommer que les portes 74S00 et être plus rapide que les portes 7400.On augmente les valeurs des résistances pour réduire la consommation temps de charge et de décharge plus long perte de vitesse 74S00 (Schottky) On limite la saturation des transistors en montant des diodes Schottky. On diminue les retards en associant des résistances plus faibles et un Darlington en place du transistor d injection. De plus, on met des diodes de protection en entrée. La consommation par porte est de l ordre de 20 mw et le retard moyen de 3 ns. Comment est fabriquée une diode Schottky? Caractéristique : plus rapide qu une diode normale. Pourquoi? on remplace le semi conducteur N par du métal. Le métal est un matériau conducteur dans lequel il y a des électrons libres. Dans le semi conducteur N, la quantité d électrons libres va dépendre de la quantité de dopage (ordre de grandeur : 1 atome dopant pour atomes propres). Dans le métal M, il y a autant d électrons libres que d atomes de métal. Les électrons sont donc en plus grands nombre dans M que dans N donc ce sera plus rapide que la TTL Standard. L inconvénient de cette solution est la consommation plus importante qu elle entraîne. 74AS00 et 74ALS00 (Advance Schottky) Grâce à des avancées de la conception des circuits intégrés, les séries 74AS et 74ALS sont plus rapides que les séries 74S. En terme de produit vitesse consommation, ces séries sont nettement meilleures.

3 Famille MOS et CMOS : Dans cette technologie, on utilise des transistors MOS à enrichissement. Ces transistors sont plus faciles à fabriquer et à intégrer, ils ont de petites dimensions et consomment très peu. Les séries récentes surclassent les séries TTL pour les applications courantes et la famille MOS ou CMOS devient la famille standard pour les circuits numériques. Avantage du MOS : le courant consommé par le dispositif est presque nul. 74HC00 :haute vitesse Cette porte NON ET est réalisée en technologie CMOS. On constate que le temps de basculement sont plus faibles que pour les autres portes. De plus la consommation reste moins importante que pour une Cette consommation diminue considérablement si on utilise plusieurs portes du composant. Les retards de propagation de cette porte sont comparables à ceux de la série 74LS. Par ailleurs, on a également augmenté les courants de sortie. La porte peut accepter des tensions différentes : on travaille avec des 1 logiques qui ne sont plus à 5 V mais à 1,125 V. On a diminué son niveau à cause de l échauffement. Inconvénient :on diminue les plages d immunité au bruit. 74HCT00 Cette porte NON ET est une porte CMOS compatible avec des composants TTL. Les temps de basculement et la consommation sont plus importants que pour le 74HC00, mais sa comptabilité avec la technologie TTL est un réel avantage : les consommations restent inférieures en CMOS. Cette série, aussi rapide que la précédente, est compatible en tension avec les dispositifs TTL. On peut utiliser dans un montage indifféremment les circuits TTL et CMOS de la série HCT. 2) Tableau de mesures mettant en évidence les performances de différentes technologies : Famille TTL Famille CMOS Paramètres 74 74LS 74AS 74ALS 74HC 74HCT V IH (min) 2,0 V 2,0 V 2,0 V 2,0 V 3,5 V 2,0 V V IL (max) 0,8 V 0,8 V 0,8 V 0,8 V 1,0 V 0,8 V V OH (min) 2,4 V 2,7 V 2,7 V 2,7 V 4,9 V 4,9 V V OL (max) 0,4 V 0,5 V 0,5 V 0,4 V 0,1 V 0,1 V I IH (max) 40 µa 20 µa 200 µa 20 µa 1 µa 1 µa I IL (max) 1,6 ma 0,4 ma 2 ma 100 µa 1 µa 1 µa I OH (max) 0,4 ma 0,4 ma 2 ma 400 µa 4 ma 4 ma I IL (max) 16 ma 8 ma 20 ma 8 ma 4 ma 4 ma V IH : Voltage Input High: le niveau de tension minimum reconnu pour un 1 logique en entrée. Toute tension inférieure n est pas reconnue comme un niveau logique haut en entrée. V IL : Voltage Input Low: le niveau de tension maximum reconnu pour un 0 logique en entrée. Toute tension supérieure n est pas reconnue comme un niveau logique bas en entrée. V OH : Voltage Output High: le niveau de tension minimum garanti par le fabricant pour un 1 logique en sortie dans les conditions normales de charge. V OL : Voltage Output Low: le niveau de tension maximum garanti par le fabricant pour un 0 logique en sortie.

4 I IH : Intensity Input High: l intensité du courant qui traverse une entrée quand un niveau haut est appliqué à cette entrée. I IL : Intensity Input Low: l intensité du courant qui traverse une entrée quand un niveau bas est appliqué à cette entrée. I OH : Intensity Output High: l intensité du courant qui traverse la sortie quand elle est au niveau haut dans des conditions de charges spécifiées. I OL : Intensity Output Low: l intensité du courant qui traverse la sortie quand elle est au niveau bas dans des conditions de charges spécifiées. Famille TTL 74 74LS 74S 74AS 74ALS Valeurs nominales de performance Retard de 9 ns 9,5 ns 3 ns 1,7 ns 4 ns propagation Consommation 10 mw 2 mw 20 mw 8 mw 1,2 mw Produit vitesse - 90 pj 19 pj 60 pj 13,6 pj 4,8 pj consommation Fréquence 35 MHz 45 MHz 125 MHz 200 MHz 70 MHz d horloge max Sortance Paramètres de tension V OH (min) 2,4 V 2,7 V 2,7 V 2,7 V 2,7 V V OL (max) 0,4 V 0,5 V 0,5 V 0,5 V 0,4 V V IH (min) 2,0 V 2,0 V 2,0 V 2,0 V 2,0 V V IL (max) 0,8 V 0,8 V 0,8 V 0,8 V 0,8 V Tableau comparatif entre certaines séries CMOS et TTL: Consommation par porte statique (mw) Consommation par porte à 100kHz (mw) Retard de propagation (ns) Vitesseconsommation (à 100 khz,pj) Fréquence d horloge maxi (MHz) Marge aux bruits (cas pessimistes) 74 74S 74LS 74AS 74ALS 74HC ,2 2, ,2 0, ,5 1, ,6 4,8 1, , ,4 0,3 0,3 0,3 0,4 0,9

5 3) Structure TTL (NAND): figure 1 Q1 est un transistor à double émetteur que l on modélise par 3 diodes: figure 2 D 1 et D 2 sont des diodes de protection, ou diodes de Clamping D 3 va créer une chute de tension supplémentaire qui empêche que les transistors Q 3 et Q 4 soient saturés en même temps, sinon V CC =5V serait relié à la masse Table de vérité d une porte NAND: E1 E2 S Si l une des entrées, E1 ou E2, est à 0 (ou à 1) : pour pouvoir fixer entre E1 et E2 à la masse, il faut que le dispositif absorbe un courant. on n a pas de courant dans D (cf fig 2), c est à dire à la base de Q 2 Q 2 et Q 4 sont BLOQUES ce qui correspond à un circuit ouvert. Q 3 est SATURE (présence d un courant de base). D 3 est passante. V S =V CC -V BE -V CE sat-r 3 I 3 Une sortie TTL à l état haut va débiter du courant. Le potentiel bas n est pas à 0 dépend du potentiel de saturation

6 Si les deux entrées, E1 et E2, sont à1 : Q 2 est SATURE (présence d un courant de base). le courant passe du collecteur à l émetteur. Q 3 peut être assimilé à un interrupteur ouvert. Q 3 et Q 4 sont BLOQUES donc S doit absorber un courant V S =V CE sat Une sortie TTL à l état bas va absorber un courant. 4) Opérateur NAND CMOS: Table de vérité d une porte NAND: E1 E2 S Si l une des entrées, E1 ou E2, est à 0 (ou à 1) : Soit le transistor Q 1 (ou Q 2 ) sera passant, soit Q 3 (ou Q 4 ) sera bloqué. V S =V DD Si les deux entrées, E1 et E2, sont à1 : les transistors Q 3 et Q 4 sont passants V S =0 II) Simulation. Temps de propagation des portes, donnés par le constructeur : LS00 74S00 74HC00 74HCT00 tp (ns) ,5 9 12

7 CONCLUSION Le but de ce TP est de nous faire rechercher, lire et utiliser la documentation, que l on a trouvé, à bon escient. On peut trouver la plupart des documentations techniques, sur la technologie des composants, sur les sites des constructeurs (ex : Texas Instrument),sur les sites dédiés à la recherche de documentation (ex : ou sur les sites des revendeurs (ex : Pour choisir la technologie que l on va utiliser, les paramètres principaux, qui vont influencer notre choix, sont : - la rapidité - la consommation Le problème qui se pose alors est que plus on est rapide, plus on consomme. Il faudra aussi que nos portes soient compatibles