&DUDFWpULVWLTXHVGHVFLUFXLWVLQWpJUpVORJLTXHV

Transcription

1 DUDFWpULVWLTXHVGHVFLUFXLWVLQWpJUpVOJLTXHV. nroducion Les circuis inégrés logiques son classés suivan leur echnologie de fabricaion (bipolaire TTL, bipolaire ECL, MOS, ). Pour un foncionnemen logique idenique, chaque echnologie offre des performances différenes sur le plan élecrique (ensions, courans, puissances) e emporel (rapidié). Une famille logique es caracérisée par ses paramères élecriques : la plage des ensions d alimenaion e la olérance admise sur cee valeur, la plage des ensions associée à un niveau logique, en enrée ou en sorie, les courans pour chaque niveau logique, en enrée ou en sorie, le couran maximum que l on peu exraire d une pore logique e le couran absorbé en enrée, la puissance maximale consommée qui dépend souven de la fréquence de foncionnemen. Les performances dynamiques principales son : les emps de monée (ransiion bas hau) e de descene (ransiion hau bas) des signaux en sorie d une pore, les emps de propagaion d un signal enre l enrée e la sorie d une pore logique. Les différenes noions abordées seron illusrées de valeurs numériques issues de la echnologie TTL.. Caracérisiques élecriques des circuis logiques.. Noaions (abréviaions de ermes anglo-américains) Tensions : ension nominale d alimenaion, V H : ension d enrée au niveau logique hau (npu High), V L : ension d enrée au niveau logique bas (npu Low), V OH : ension de sorie au niveau logique hau (Oupu High), V OL : ension de sorie au niveau logique bas (Oupu Low). Courans : ous les courans son enrans dans la pore. CC : couran d alimenaion (suivan les condiions d uilisaion de la pore), : couran d enrée au niveau logique hau, : couran d enrée au niveau logique bas, OH : couran de sorie au niveau logique hau, OL : couran de sorie au niveau logique bas. llusraion OH OL V OH V H V OL V L Figure : au niveau logique hau (High level). Figure 2 : au niveau logique bas (Low level)..2. Tensions caracérisiques.2.. Tension d alimenaion Les circuis inégrés son alimenés sous une ension nominale V cc. En TTL, cee valeur es de 5V associée à une olérance. On disingue deux olérances, une pour chaque série : Série sandard (commerciale) : V cc = 5 V ± 5% ; Série die «miliaire» : V cc = 5 V ± 0%. <²7HFK, décembre 98 V3.5 / 6 Caracérisiques des circuis inégrés logiques

2 .2.2. Gabaris de ension Un niveau logique correspond à une plage de ensions : le niveau logique (enre V cc e une limie inférieure à V cc ) e le niveau 0 (de 0 V à une limie supérieure) illusrés aux Figure 3 e Figure 4. = 5V VHmin = 2V V = 5V VOHmin = 2,7V V V Lmax = 0,8V 0 V NL : V OHmin = 2,7 V = 5 V NL0 : 0 V OLmax = 0,5 V Figure 3 : gabari des ensions d enrée. VOLmax = 0,5V 0 V NL: V Hmin = 2 V = 5 V NL0 : 0 V Lmax = 0,8 V Figure 4 : gabari des ensions de sorie Gabari de ransfer Les deux graphes précédens son rassemblés en un seul pour raduire la foncion logique enre ces ensions : c es le gabari de ransfer (Figure 5). Une pore saisfai le gabari si sa courbe de ransfer se rouve dans la parie non grisée. La ension de basculemen, noée V T (T pour hreshold, seuil), correspond à la ension d enrée pour laquelle la sorie change d éa (approximaivemen l inersecion de la angene au poin d inflexion de la courbe avec l axe ). 5V V OHmin V OLmax V Lmax V T V Hmin Figure 5 : caracérisique de ransfer d une pore inverseuse Brui saique e immunié Un brui es une variaion inempesive (ou aléaoire) d une grandeur physique auour de la valeur déerminée (permanene, aendue ou nominale). L immunié au brui es la marge de sécurié que l on peu observer sans provoquer un changemen d éa logique non désiré : c es l ampliude maximale du signal parasie à superposer au signal d enrée pour provoquer un changemen d éa en sorie. Dans le cas le plus défavorable, l immunié au brui au niveau logique hau es V OHmin -V Hmin e au niveau logique bas V Lmax -V OLmax (Figure 6 e Figure 7). V Lmax = 0,8V V OHmin = 2,7V VOLmax = 0,5V VHmin = 2V Figure 6 : immunié au niveau bas, V Lm ax -V OLmax =300mV. Figure 7 : immunié au niveau hau, V OHmin -V Hm in =700mV. <²7HFK, décembre 98 V3.5 2 / 6 Caracérisiques des circuis inégrés logiques

3 .3. Courans d enrée e de sorie d une pore.3.. Courans d enrée Une enrée es équivalene à une charge élecrique. : couran qu il fau exraire de la pore pour imposer un niveau logique bas en sorie. en TTL LS : = -400 µa (négaif avec les convenions). : couran absorbé par l enrée de la pore au niveau logique hau. en TTL: = 20 µa (celui d une diode en inverse, donc faible) Courans de sorie Une sorie es équivalene à un généraeur (ex. modèle de Thévenin). OL : ce couran es issu des différenes enrées commandées (Figure 8). en TTL LS : OLmax (= 8 ma) es la valeur maximale du couran en sorie qui assure que l on se rouve encore dans le gabari de ransfer ( V OLmax ). OH : ce couran es issu des différenes enrées commandées (Figure 9). en TTL LS : OHmax (= -400 µa) es la valeur maximale du couran en sorie qui assure que l on se rouve encore dans le gabari de ransfer ( V OHmin ) OL = -Σ OH = -Σ Figure 8 : marquage des courans au niveau bas. Figure 9 : marquage des courans au niveau hau Charges maximales équivalenes OL OH V OH V OL min Vcc V = OLmax OL max = 560Ω Figure 0 : au niveau logique bas. min VOH min = = 68, KΩ OH max Figure : au niveau logique hau Sorance des pores logiques La sorance radui le nombre maximum d enrées logiques que peu commander une sorie. Sorance au NL0 : s Sorance au NL : s L H OL max 80. = an : en TTL LS, sl = = ,. L 3 OH max = an : en TTL LS, sh = = H Pore logique amplifiée ou «bufférisée» Pour pallier l insuffisance de sorance, on uilise une pore logique à sorie die «bufférisée». Dans ce cas, les gabaris de ension e les courans d enrée son ideniques aux caracérisiques sandards, mais les courans de sorie maximum aux deux niveaux logiques ( OL e OH ) son plus imporans. Sur le symbole de la pore, la sorie es marquée par le signe (amplificaion). <²7HFK, décembre 98 V3.5 3 / 6 Caracérisiques des circuis inégrés logiques

4 Exemple : pore logique 74LS37 sorance niveau hau : OHmax = -,2 ma e = 20 µa sorance = 60 sorance niveau bas : OLmax = 24 ma e = -400 µa sorance = Consommaion des circuis logiques Le couran oal consommé (dans diverses condiions définies dans la noice du consruceur) cc perme de calculer la puissance dissipée dans le circui inégré. Ces paramères de consommaion son nécessaires pour dimensionner l alimenaion de la care qui va recevoir ous les circuis. En logique TTL, la consommaion des circuis varie peu pour les fréquences faibles puis augmene rès rapidemen avec la fréquence (Cf. Figure 2 e Figure 3). f - fréquence (MHz) Figure 2 : consommaion en logique TTL S. f - fréquence (MHz) Figure 3 : consommaion en TTL LS.. Caracérisiques emporelles des pores logiques Dans les élémens élecriques, les grandeurs son ransmises avec un reard caracérisique de la pore : c es le emps de propagaion de l informaion dans la pore. On disingue la ransiion hau bas (fron descendan) ou bas hau (fron monan) : T phl : emps de propagaion du signal logique lorsque la sorie passe de l éa hau à l éa bas (Propagaion Time High o Low). T plh : emps de propagaion du signal logique lorsque la sorie passe de l éa bas à l éa hau (Propagaion Time Low o High). Pour assurer la mesure de ces durées, une référence de ension es fixée par les consruceurs (,3 V en TTL) pour le débu e la fin de la propagaion (Figure 4 e Figure 5).,3V,3V,3V,3V,3V,3V,3V,3V T phl T plh T plh T phl Figure 4 : reard pore inverseuse. Figure 5 : reard pore non inverseuse. La sorie d une pore es chargée par une ligne don le comporemen capaciif (capacié réparie de la ligne, capacié d enrée des circuis placés en aval, ) influence le emps de reard en raison de la réponse ransioire du circui C équivalen. Les noices echniques spécifien les emps de propagaion pour différenes valeurs de capacié de charge (C L Load Capaciance). Plus C L es grande, plus le emps de propagaion es élevé (Cf. Figure 6). <²7HFK, décembre 98 V3.5 4 / 6 Caracérisiques des circuis inégrés logiques

5 / FDSDFLWpGHFKDUJHS) T A - empéraure ( C) Figure 6 : influence capaciive sur les emps de propagaion T A - empéraure ( C) T A - empéraure ( C) V. Les pores logiques à enrées spécifiques : rigger de Schmi Les signaux aux ransiions rop lenes occasionnen un posiionnemen dans la zone d indéerminaion (Cf. «Gabaris de ension», page 2) qui perurbe le signal de sorie. L éa de la sorie oscille enre les deux niveaux logiques (Figure 7). Pour obenir une commuaion correce, il fau s assurer que la ransiion en enrée soi franche (emps de monée e de descene V a V b Zones d'indéerminaion Zone du seuil de basculemen inférieurs à ms). Figure 7 : ransiions sur enrée «classique». Si on ne peu s assurer d une ransiion brève, on uilise des pores à enrée rigger de Schmi qui présenen deux zones éroies de ransiion, l une V T+ e l aure V T- (Figure 8). Elles s appliquen respecivemen aux ransiions monanes e descendanes. V T+ 4V V T- V T- V T+ Figure 8 : ransiions sur enrée à seuils. Figure 9 : caracérisique de ransfer d une pore rigger inverseuse. Ces circuis accepen les perurbaions (parasies) don l ampliude ne dépasse pas la différence V T+ - V T- (chronogrammes Figure 20). Cee propriéé es appliquée en mise en forme de signaux. Pour repérer une enrée de ype rigger, elle es marquée du signe (rappelle le cycle d hysérésis). V T+ V T- Figure 20 : réponse à des signaux foremen perurbés. V. Les sories pariculières V.. Sorie bufférisée Ce ype de sorie a éé éudié dans le paragraphe.3.5. Schmi (), <²7HFK, décembre 98 V3.5 5 / 6 Caracérisiques des circuis inégrés logiques

6 V.2. Sorie à colleceur ouver Lorsque la charge nécessie une ension d alimenaion que ne peu lui fournir la pore logique, on a recours à la sorie à colleceur ouver. Dans cee configuraion, la sorie es le colleceur du dernier ransisor don il fau erminer la polarisaion (Figure 2 e Figure 22). Ce ype de sorie perme la réalisaion d un «e» ou d un «ou» câblé en inerconnecan les colleceurs. la résisance es dimensionnée pour assurer des courans de sorie opimum (Figure 23). Une elle sorie es idenifiée par le signe placé en face de la sorie considérée. VCC VCC VCC C C S = a. b C ib a b voh vol VOUT Figure 2 : ransisor bloqué. Figure 22 : ransisor sauré. Figure 23 : NO câblé. V.3. Sorie rois éas Dans ceraines applicaions, il s avère nécessaire de déconnecer élecriquemen la sorie d une pore logique pour l isoler d aures sories aachées au même nœud élecrique. Dans cee hypohèse, il fau que la sorie apparaisse comme un circui ouver vis à vis du rese du monage. En conséquence, l impédance (ou la résisance) de sorie soi rès grande, voire infinie. Un nouvel éa non logique apparaî en supplémen du niveau hau e du bas : l éa de haue impédance (HiZ). Pour mere en œuvre une elle pore, il fau une enrée supplémenaire sélecionnan l éa haue impédance ou roisième éa (Cf. Figure 26). Conrôle Enrée Sorie Figure 24 : principe de la sorie rois éas. Une sorie de ce ype peu apparaîre indépendammen de la foncion logique du circui. Une sorie de ype rois éas es repérée par le symbole (Figure 25). Conrôle Enrée EN Sorie Conrôle Enrée Sorie X HiZ Figure 25 : symbole opéraeur OU 3 éas. Figure 26 : able de foncionnemen. V. Bibliographie Analyse e synhèse des sysèmes logiques. D. Mange. Collecion T3E. Dunod. 98. SBN Circuis numériques Théorie e applicaions. onald J. Tocci. Ediions Ellipses. Collecion NT SBN Données Texas nsrumens : daa book e sie fp hp://fp.i.com/sc/docs. <²7HFK, décembre 98 V3.5 6 / 6 Caracérisiques des circuis inégrés logiques