1 La logique électronique

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Transcription:

1 La logique électronique Peter Schlagheck Université de Liège Ces notes ont pour seule vocation d être utilisées par les étudiants dans le cadre de leur cursus au sein de l Université de Liège. Aucun autre usage ni diffusion n est autorisé, sous peine de constituer une violation de la Loi du 30 juin 1994 relative au droit d auteur.

1 La logique électronique 1.1 La préhistoire de l informatique 1.2 L électronique avec les tubes à vide 1.3 Les transistors

1.1 La préhistoire de l informatique L idée de base: construire une machine qui effectue des opérations logiques Qu est-ce que c est? effectuer une chose à condition qu une autre chose soit donnée.

1.1 La préhistoire de l informatique Exemple primaire: l addition avec l abaque

1.1 La préhistoire de l informatique Exemple primaire: l addition avec l abaque

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1.1 La préhistoire de l informatique Exemple primaire: l addition avec l abaque une boule dans la ligne suivante est bougée à condition que la ligne actuelle soit finie

1.1 La préhistoire de l informatique Exemple primaire: l addition avec l abaque

Les premières machines de calcul mécaniques Wilhelm Schickard, 1632 Blaise Pascal, 1642 Gottfried Wilhelm Leibniz, 1672

Les premières machines de calcul mécaniques Charles Babbage (1791-1871) Difference engine évaluation des fonctions polynomielles (pour le calcul de tableaux) par l addition des différences finies achevée après sa mort

Les premières machines de calcul mécaniques Charles Babbage (1791-1871) Analytical engine machine de calcul pour des opérations mathématiques et logiques plus générales jamais achevée Ada Lovelace (1815-1852) proposition des algorithmes pour l analytical engine afin d effectuer des calculs spécifiques (nombres de Bernoulli) la première informaticienne du monde

1.2 L électronique avec les tubes à vide Un circuit électrique...

1.2 L électronique avec les tubes à vide Un circuit électrique avec un tube à vide:

1.2 L électronique avec les tubes à vide Un circuit électrique avec un tube à vide:

1.2 L électronique avec les tubes à vide Un circuit électrique avec un tube à vide:

1.2 L électronique avec les tubes à vide Un circuit électrique avec un tube à vide: rectification du courant électrique: diode J. A. Fleming 1904

La triode Lee de Forest 1907

Le fonctionnement d une triode U G = 0 pas de courant

Le fonctionnement d une triode U G > 0

Le fonctionnement d une triode U G > 0

Le fonctionnement d une triode U G > 0 courant pour U G > U crit G

Le fonctionnement d une triode U G > 0 courant pour U G > U crit G amplificateur d un signal electronique: petite variation en U G grande variation en I

Le fonctionnement d une triode U G > 0 courant pour U G > U crit G effectuer quelque chose (du courant I) à condition qu une autre chose (la tension U G ) soit donnée

Des opérations logiques avec des triodes

Des opérations logiques avec des triodes A est vrai si B est vrai A est vrai = si la tension à B est suffisamment forte pour A est vrai = induire un courant au travers du tube à vide A peut signifier le courant au travers du tube... ou (plutôt) une tension capable à induire d autres courants

Des opérations logiques avec des triodes

Des opérations logiques avec des triodes Une opération AND A est vrai si B et C sont vrai A = B C

Des opérations logiques avec des triodes Une opération OR A est vrai si B ou C sont vrai A = B C

Des opérations logiques avec des triodes Une opération NOT A est vrai si B n est pas vrai A = B

Des opérations logiques avec des triodes Une opération NOR = NOT OR (ni l un ni l autre) A est vrai si ni B ni C sont vrais A = B C = B C

Des opérations logiques avec des triodes Une opération NAND = NOT AND A est vrai si B et C ne sont pas vrais A = B C = B C

Des opérations logiques élémentaires AND : A = B C OR : A = B C NOT : A = B NAND : A = B C NOR : A = B C XOR : A = (B C) (C B) XNOR : A = (B C) (B C) l algèbre de Bool

Les premiers ordinateurs électroniques http://en.wikipedia.org/wiki/history of computing hardware Z3 (Konrad Zuse, Allemagne, 1941): construit à la base de relais électromécaniques ( pas exactement électronique) Atanasoff-Berry Computer (Iowa State Univ., USA, 1942): utilisé pour résoudre des équations différentielles linéaires Colossus (Grande Bretagne, 1943): utilisé pour le déchiffrement des codes allemands ENIAC (University of Pennsylvania, USA, 1946): premier ordinateur électronique puissant pour des besoins généraux (17 468 tubes à vide)

Les premiers ordinateurs électroniques ENIAC

Les premiers ordinateurs électroniques ENIAC la programmation

Les premiers ordinateurs électroniques Problèmes: grande consommation d énergie grande production de chaleur occupation de beaucoup d espace augmentation de puissance difficile problèmes de fiabilité si un ou plusieurs tubes tombent en panne (ENIAC: un tube en panne chaque deux jours) utilisation des transistors au lieu de tubes électroniques

1.3 Les transistors = des triodes à la base de matériaux semi-conducteurs : (Si, Ge, GaAs, InAs... )

Un métal La structure cristalline d un métal (caricature):

Un métal électrons quasi-libres (bande de conduction) électrons quasi-liés (bande de valence)

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Un métal sous tension courant

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Un isolateur sous tension pas de courant

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Un semi-conducteur (par exemple silicium) Un semi-conducteur se comporte comme un isolateur... à l exception qu il est relativement facile à exciter des électrons

Un semi-conducteur à une haute temperature

Un semi-conducteur dopé implantation des atomes avec un électron de plus donneurs d électrons: dopage n

Un semi-conducteur dopé sous tension

Un semi-conducteur dopé sous tension courant très faible

Un semi-conducteur dopé implantation des atomes avec un électron de moins accepteurs d électrons: dopage p

Un semi-conducteur dopé sous tension

Un semi-conducteur dopé sous tension

Un semi-conducteur dopé sous tension courant très faible des trous dans l autre sens

Une diode à la base d un semi-conducteur dopage n dopage p jonction p-n

Une diode à la base d un semi-conducteur dopage n dopage p

Une diode à la base d un semi-conducteur dopage n dopage p

Une diode à la base d un semi-conducteur dopage n dopage p

Une diode à la base d un semi-conducteur dopage n dopage p

Une diode à la base d un semi-conducteur dopage n dopage p courant

Une diode à la base d un semi-conducteur dopage n dopage p

Une diode à la base d un semi-conducteur dopage n dopage p

Une diode à la base d un semi-conducteur dopage n dopage p

Une diode à la base d un semi-conducteur dopage n dopage p

Une diode à la base d un semi-conducteur dopage n dopage p

Une diode à la base d un semi-conducteur dopage n dopage p pas de courant

Une diode à la base d un semi-conducteur courant

Une diode à la base d un semi-conducteur pas de courant

Une diode à la base d un semi-conducteur Symbole technique:

Une triode à la base d un semi-conducteur pas de courant

Une triode à la base d un semi-conducteur

Le fonctionnement d une triode U G = 0 pas de courant

Le fonctionnement d une triode U G > 0

Le fonctionnement d une triode U G > 0 courant pour U G > U crit G

Le fonctionnement d une triode U G > 0 courant pour U G > U crit G amplificateur d un signal electronique: petite variation en U G grande variation en I

Le fonctionnement d une triode U G > 0 courant pour U G > U crit G TRANSISTOR (= trans-resistor)

Le fonctionnement d une triode U G > 0 courant pour U G > U crit G TRANSISTOR (= trans-resistor)

Le fonctionnement d une triode U G > 0 courant pour U G > U crit G TRANSISTOR (= trans-resistor)

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Le transistor Inventeurs: John Bardeen, Walter Brattain, and William Shockley, AT&T Bell Labs (USA), 1947 (prix Nobel 1956) Avantages comparé au tube à vide: petite taille miniaturisation possible fonctionne avec de plus petites tensions beaucoup plus petite consommation d énergie haute fiabilité, très longue durée de vie possibilité de créer des circuits intégrés

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Fabrication d un circuit NOT (technologie CMOS) B est faux (U B < 0) A = B

Fabrication d un circuit NOT (technologie CMOS) A = B B est faux (U B < 0) A est vrai (U A > 0)

Fabrication d un circuit NOT (technologie CMOS) B est vrai (U B > 0) A = B

Fabrication d un circuit NOT (technologie CMOS) A = B B est vrai (U B > 0) A est faux (U A < 0)