Nous allons au cours de cette présentation passer en revue les principales notions liées aux circuits intégrés numériques. Après avoir vu la manière de réaliser les fonctions logiques de bases, et les caractéristiques de ces réalisations, nous nous intéresserons aux différentes familles de circuits disponibles.
Le domaine des circuits intégrés numérique, en pleine évolution, voit la disparition des familles traditionnelles de circuits (TTL, série 4000…) présentant des fonctions figées au profit de nouveau circuits entièrement configurables (CPLD, FPGA en technologie CMOS). La compréhension des documentations techniques de ces nouveaux circuits, ainsi que l'étude de systèmes un peu anciens, nécessite cependant la connaissance des caractéristiques des anciennes familles.
1 Réalisation des fonctions logiques
Réalisées initialement avec des diodes, les fonctions logiques sont aujourd'hui synthétisées généralement au moyen de transistors généralement MOS fonctionnant en commutation (sauf cas particulier), afin de limiter la consommation et l'échauffement. Les schémas ci-après donnent un exemple de réalisation simple de fonctions combinatoires de base. Pour plus de généralité le transistor a été représenté par un interrupteur commandé par un signal d'entrée (si ce signal est au NL1 l'interrupteur est fermé, il est traversé par un courant et la tension à ses bornes est nulle).
E
S fonction
NON fonction
NOR fonction
N AN D
2
VCC
E1 E
VC C VC C
S S
E1
E2
R R R
La résistance R utilisée dans ces schémas pose de nombreux problèmes : trop faible, elle conduit à une dissipation VCC/R² importante, tandis que trop grande elle augmente l'impédance de sortie de la porte, d'où des niveaux logiques de sortie dépendant de la charge et un temps d'établissement du signal important, à cause, entre autres, de la capacité parasite CP entre le point S et la masse (la constante de temps valant R CP).
Il est donc préférable de remplacer R par un ou plusieurs transistors (en fonction du nombre d'entrées). Prenons l'exemple d'une fonction NON (voir schéma ci-après) : le transistor ajouté a un fonctionnement complémentaire à celui du bas (si l'entrée E est au NL1 l'interrupteur est ouvert, aucun courant ne circule). C'est sur cette base que sont construits les étages de sortie des circuits numériques.
E S fonction
NO N VCC
E1 E2
S
E1
E2 S
VC C VCC
fonction
NAND fonction
N O R
2 Nécessité de l'intégration
Les fonctions logiques sont rarement synthétisées par des composants discrets (c'est à dire non intégrés avec d'autres composants dans un boîtier unique). La réalisation d'un système numérique complexe (un ordinateur par exemple) par ce moyen conduirait à un produit volumineux, cher (matière et montage), peu fiable (problème de connectique) et lent (capacités parasites). Aussi est-il indispensable de rassembler les fonctions dans des circuits intégrés plus ou moins complexes regroupant quelques portes, ou plusieurs milliers (microprocesseurs, FPGA).
Un circuit complexe nécessitera un nombre de connexion important avec l’extérieur, d’où de formes de boîtiers très différentes, du classique DIL (Dual In Line) 14 broches, aux boîtiers PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) ou BGA (Ball Grid Array) :
boîtiers DIL (Dual In Line)
boîtiers et supports PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier)
boîtiers BGA (Ball Grid Array)
3 Caractéristiques d'un circuit logique
Les concepteurs de système ont longtemps eu à choisir entre différentes familles logiques (TTL, CMOS etc…) pour leurs réalisations, le compromis se faisant souvent entre la rapidité et la consommation des circuits. Ce type de choix se fait aujourd’hui plutôt au niveau d’un circuit, mais les critères sont restés les mêmes.
3.1 Rapidité
On la caractérise par le temps de propagation moyen tp d'une porte par un signal.
V
t
E
1
0
VS
VE VC C VC C 0,5
0 t VS VC C VC C 0,5
tLH tH L
t t t
p= phl + plh
2
La fréquence maximale de fonctionnement dépendra beaucoup de cette valeur, mais aussi de la complexité de l’ensemble du système et de la manière dont il est conçu.
3.2 Consommation
Dès que le système à mettre en oeuvre est important, la consommation d'énergie des circuits devient un paramètre critique. Il faut alors prévoir une alimentation puissante et l'évacuation de la chaleur accumulée dans les circuits. L'importance de la consommation est encore plus grande si le montage est prévu pour fonctionner sur batterie.
Il faut distinguer la consommation statique (au repos, lorsque aucune opération n'est demandée), de la consommation dynamique qui va généralement dépendre de la fréquence à laquelle le système fonctionne.
3.3 Tension d'alimentation
Les constructeurs de circuit intégrés numériques diminuent de plus en plus les tensions d’alimentation ; cela permet de gagner en consommation et en densité d’intégration. D’une valeur classique de 5 V il y a quelques années, nous sommes passés en dessous des 2 V aujourd’hui.
3.4 Niveau de courant et tension, entrance (fan in) et sortance (fan out)
Même si la sortie d’une porte fournie des niveaux logiques 1 et 0 (NL1 et NL0), qui sont censés être respectivement à 5 V et 0 V par exemple, cette sortie peut aussi être vue comme un générateur de Thévenin équivalent. En effet, plus on lui demandera de fournir du courant à l’état haut et plus sa tension de sortie diminuera (tendant vers le NL0), plus on lui demandera d’absorber de courant à l’état bas et plus sa tension de sortie augmentera (tendant vers le NL1).
Afin de minimiser le risque de confusion entre les NL0 et NL1, ceux-ci doivent être associés à des tensions les plus éloignées possibles l’une de l’autre (immunité aux bruits).
Le constructeur se doit donc de trouver un compromis entre ces différents paramètres.
Pour cela, il garantit en sortie à l’état haut, un niveau de tension VOHmin (O pour output - H pour high) au-dessous duquel la sortie ne descendra pas, si on ne lui fait pas débiter un courant supérieur à un courant IOH MAX .
Lorsque la sortie est au niveau bas, il garantit un niveau de tension VOLmax au-dessus duquel la sortie ne montera pas, si on ne lui fait pas absorber un courant garanti IOL MAX . Cette dernière valeur est généralement négative, un courant positif étant par convention entrant.
Pour que VOHmin et VOLmax puissent être correctement interprété par l’entrée de la porte suivante, on définit pour celle-ci un VIHmin et un VILmax .
VO VI
VI VC C
V
IHm in
V ILm ax
VO
OHm in V
V
O Lm ax
d'incertitudezone interditezone
1 1
On doit évidement vérifier pour un fonctionnement correct de l'ensemble : VOHmin > VIHmin et VOLmax < VILmax
Avec les mêmes indices le constructeur précise les courants maximaux que va absorber l'entrée de la porte IIH MAX (entrée NL1) ou qui sortira de cette entrée IIL MAX (entrée au NL0). Cette dernière valeur est généralement négative, un courant positif étant par convention entrant.
Le rapport, à un NL donné, entre courant garanti en sortie et courant en entrée donne le nombre d'entrée pouvant être commandé par une sortie, nombre appelé aussi sortance.
Certains circuits complexes (compteurs etc...) ont des entrées correspondant à N portes élémentaires, les courants mis en jeu en entrée sont alors N fois plus important que sur une porte élémentaire : on parle alors d'une entrance de N pour cette entrée particulière.
Ces deux dernières notions ne présentent plus beaucoup d’intérêt pour les nouvelles générations de circuits numériques, où les échanges d’informations se font en interne, la communication avec l’extérieur se faisant par l’intermédiaire de sorties amplifiées et d’entrée tampon.
3.5 Immunité aux bruits
Un système électronique est soumis à des perturbations électromagnétiques d'origines diverses.
L'immunité aux bruits caractérise la capacité des circuits à fonctionner correctement dans un environnement ainsi parasité. On distinguera une immunité statique (face à une perturbation basse fréquence) qui dépendra fortement des niveaux de tension précédemment définis, et une immunité dynamique (face à une perturbation haute fréquence).
3.5.1 Immunité statique
Si on relie la sortie d’une porte à l’entrée de la suivante, par une ligne bruitée, se comportant comme un générateur de valeur VB, l'étude des niveaux d'entrée et de sortie permet de mettre en évidence que la valeur maximale de VB permettant un fonctionnement correct est la valeur minimale (en générale elles sont égales) entre VOH MIN - VIH MIN et VIL MAX - VOL MAX. Cette valeur représente l'immunité statique aux bruits.
3.5.2 Immunité dynamique
La modélisation de ces perturbations est beaucoup plus complexe. D'une manière générale, on peut dire qu'une impulsion parasite doit fournir une certaine énergie pour perturber le fonctionnement d'une porte, cette énergie étant proportionnelle au carré de l'amplitude de l'impulsion et à la durée de celle- ci. Nous obtenons donc des courbes d'immunité aux bruits ayant l'allure suivante :
am plitude de la perturbation
durée de la perturbation zone statique
zone dynam ique
fonctionnem ent correct
fonctionnem ent incorrect
4 Entrées et sorties particulières
Les constructeurs ont prévu des portes un peu particulières dont l'étage de sortie ou d'entrée diffère de la structure de base définie au paragraphe précédent.
4.1 Sorties à collecteurs ou drain ouvert
La partie supérieure de l'étage de sortie a été supprimée. En technologie bipolaire on parle de sorties à collecteur ouvert et de sortie à drain ouvert en technologie MOS. On les désigne aussi sorties à un état (le niveau logique 1 n'étant pas imposé par le circuit intégré)
V
CC1V = V
CC2 CC1circuit intégré
charge
On peut ainsi attaquer avec cet étage de sortie des charges sous des tensions différentes de l'alimentation du circuit intégré contenant la porte.
En reliant plusieurs sorties de ce type, on réalise une fonction ET dite câblée, la ou les sorties à l'état bas imposant un NL0 (voir le schéma de base de la fonction NOR). C’est sur ce principe que repose la communication entre les circuits, pour certaines normes de bus (bus I²C par exemple).
Il est important de noter que ces sorties ne peuvent fonctionner à vide, le niveau logique haut étant donné par la charge.
Les portes à collecteur ou drain ouvert sont repérées sur un schéma par le symbole suivant :
4.2 Sorties trois états
Les sorties classiques sont soit à l'état haut, soit à l'état bas. Ici il est possible (par l'intermédiaire d'une broche de commande du circuit intégré) d'ouvrir en même temps les deux transistors de sortie.
Celle-ci est alors déconnectée du reste du montage et on parle d'état haute impédance (HI). Le circuit est dit à sortie trois état.
E = 0 S = 1 état haut
VCC
E = 1 S = 0
état bas VC C
E S
état haute im pédance
VC C
L'intérêt de ce circuit est primordial dans les systèmes à microprocesseur, les sorties de plusieurs boîtiers étant reliées ensemble par l'intermédiaire d'une ligne de bus. Les boîtiers imposent tour à tour un niveau logique sur la ligne de bus, ce niveau ne devant pas entrer en conflit (c'est à dire provoquer un court-circuit) avec ce qu'imposerait un autre boîtier, comme le montre la figure ci-après (à gauche) où une ligne sur le bus à été détaillée.
Le ou les boîtiers non actifs doivent donc se placer en état haute impédance (figure de droite).
Le symbole associé aux sorties trois états est le suivant :
4.3 Sorties amplifiées (buffer, power driver)
Elles peuvent fournir (au NL1) et absorber (au NL0) un courant plus important que les sorties classiques et peuvent ainsi commander des lignes très chargées. Certains circuits comprennent 4 ou 8 portes de manière à commander un bus complet; on parle alors d'amplificateur de bus (bus tranceiver). Un triangle sur le symbole de la porte indique le sens de propagation du signal :
4.4 Entrées à hystérésis (trigger de Schmitt)
Pour une porte classique le signal à l'entrée est interprété comme étant au niveau logique 1 s'il est au- dessus d'une certaine valeur notée VIHmin et comme au niveau logique 0 s'il est en dessous d'une certaine valeur notée VILmax.. Entre ces deux valeurs se trouve une zone d'incertitude où le constructeur ne garantit pas le fonctionnement. Ce mode de fonctionnement peut poser problème si le signal d'entrée est perturbé par un signal parasite.
VC C
VC C boitier 1
boitier 2
BUS VC C
VC C boitier 1
boitier 2
courant court circuitde
BUS
court-circuit
V
t
ILm ax E
1
0
0 t
VS
VS VE
VIHm in V
Avec une porte à entrée hystérésis, il existe deux seuils de basculement VH et VL : le signal d'entrée est compris comme un NL1 s'il passe au-dessus du seuil haut et comme un NL0 s'il passe en dessous du seuil bas. Mais cette fois il n'y a pas de zone d'incertitude : lorsque le signal passe entre les deux seuils il garde la valeur logique qu'il avait avant de franchir l'un des seuils. Ces portes sont particulièrement intéressantes pour remettre en forme un signal dégradé.
V
t
L
E
1
0
0 t
VS
VS VE
V VH
La caractéristique de transfert de cette porte est représentée ci-après (on y retrouve le sigle associé à la représentation précédente).
0 V
VC C E
VS
VL V
H
VC C
5 Principales familles logiques
5.1 Familles logiques à transistors bipolaires saturés (familles TTL)
Aujourd’hui complètement obsolètes, ces familles ont marqué le monde du circuit numérique tant leur diffusion fut importante.
Les fonctions logiques des ces circuits (non programmables) sont réalisées à partir de transistors bipolaires ( TTL pour Transistors Transistor Logic).
Les circuits TTL ont été déclinés en plusieurs sous familles, la série la plus répandue est la « Low Power Schottky », apparue en 1971, réalisée à partir de composants schottky (jonction semi- conducteur métal, intéressantes pour leur rapidité), et de référence 74 LS XX (le XX représentant la fonction du circuit ; exemple 74LS00 est un circuit à 4 portes NAND).
Comme tout les circuits TTL, cette série s’alimente en 5 V à +/-5% (+/-10% pour les séries militaires référencées 54LSXX); Elle consomme environ 2mW par porte (ce qui est énorme aujourd’hui) et présentait un temps de propagation de 10 ns.
Ces circuits ont laissé aujourd’hui des traces importantes en ce qui concerne les référence des circuits (par exemple pour les séries CMOS du paragraphe suivant, ou pour les bibliothèques des logiciels de programmation des FPGA). Les niveaux logiques d’entrée et de sortie des circuits modernes sont également souvent définis par une compatibilité TTL avec VOH MIN = 2,7 V, VIL MAX = 0,8 V, VIH MIN = 2,3 V et VOH MIN = 0,4 V.
5.2 Familles logiques à transistor MOS
La mise au point du transistor MOS (Metal Oxyxde Semiconductor) a complètement révolutionné la conception des circuits numériques en présentant deux avantages importants :
- une consommation statique très faible, grâce à une commande en tension par la grille (attention toutefois à la consommation dynamique qui augmente avec la fréquence)
- une densité d'intégration bien plus grande qu'en bipolaire. Les premiers transistors MOS dans les années 70 nécessitaient une largeur de canal d'environ 20 µm. On sait fabriquer aujourd'hui des transistors d'une largeur de canal de 0,1 µm et moins.
Le principal inconvénient est resté longtemps le manque de rapidité, causée par les capacités parasites, en particulier la capacité grille source. D'énormes progrès ont été faits, et les circuits HCMOS (High speed Complementary MOS) par exemple sont aussi rapides que les TTL LS, mais pour une consommation statique mille fois plus faible.
5.2.1 Principe des circuits CMOS
Le schéma d'un inverseur est beaucoup plus simple qu'en TTL et reprend exactement le schéma de base donné au début en utilisant deux transistors complémentaires (canal N et P), d'où le C dans CMOS pour "complementary".
N1 N1
Vdd
S
N1 N2
P2
P1
E1
P1 P1
fonction NAND fonction NON
S
fonction NOR
E S
E1
Vdd
E2 E2
N2 Vdd
P2
Il en est de même pour les fonctions NOR et NAND.
Des différents schémas que nous venons de voir, on peut déduire une règle essentielle de l'utilisation des circuits CMOS : la commande se faisant en tension et l'entrée étant une capacité parasite grille source qui ne demande qu'à se charger par tous les moyens (couplages divers, ondes électromagnétiques) à un potentiel indéfini, une entrée non utilisée ne devra jamais rester en l'air, mais être reliée à l'alimentation.
La simplicité des fonctions réalisées par des transistors MOS complémentaires permet aux circuits CMOS de fonctionner dans une large gamme de tension d'alimentation (3 à 18 V pour la série 4000).
D'une manière générale, diminuer la tension d'alimentation (toutes choses étant égales par ailleurs) reviens à diminuer la puissance consommée, mais également le courant maximal disponible en sortie et à augmenter le temps de propagation.
La puissance consommée sera quant à elle proportionnelle à la capacité de charge, à la fréquence et au carré de la tension d'alimentation : P=f (CL, f, VDD²).
Le tableau ci-après présente les principales familles CMOS, dont les caractéristiques communes sont une forte impédance d'entrée, une sortance élevée (>50 en basses fréquences) et une faible consommation.
NOM DATE
D'APPARITION ALIMENTATION AMELIORATIONS DESIGNATION (exemples) Série
4000 1970 3 à 18 V consommation,
sortance, impédance d'entrée, plage d'alimentation,
mais tp voisin de 100 ns
4001 4520
Série C 1972 3 à 18 V même brochage que
la TTL 74 C 00
54 C 00 Série HC 1982 2 à 6 V aussi rapide que la
série TTL LS tp=10 ns P=f(CL, f, VDD²)
74 HC 00 54 HC 00 74 HC 4002 54 HC 4002
Série HCT 1982 5 V à 10% compatibilité totale
avec la TTL LS 74 HCT 00 54 HCT 00
Série AC 1985 2 à 6 V 3 fois plus rapide que
la série HC 74 AC 00
Série ACT 1985 5 V à 10% compatibilité avec les
séries TTL 74 ACT 00
Série AHC 1996 5 V et 3,3 V consommation deux
fois plus faibles que la série AC
74 AHC 00
Série
AHCT 1996 5 V à 10% compatibilité avec les
séries TTL 74 AHCT 00 De toutes ces séries ne subsistent aujourd’hui que la série HC (même si les autres séries sont encore commercialisées).
A titre indicatif, la figure ci-après rappelle les différentes tensions d'alimentation et courant disponible en sortie :
15 V 10 V 5 V
C M O S 74H C TTL
74LS C M O S C D 4000 tension d'alim entation
O H
IO L
8 m A
4 m A
1 m A
V cc=5V I
C M O S 74H C TTL
74LS C M O S C D 4000 courant de sortie
5.2.2 Logique NMOS et PMOS
Les circuits à large densité d’intégration VLSI (Very Large Square Integration), comme les mémoires et les microprocesseurs, ont longtemps été synthétisés avec uniquement des transistors NMOS ou PMOS, d’où le nom de la famille.
Depuis le milieu des années 80, les progrès réalisés permettent d'utilisé la technologie CMOS, avec tous les avantages vus au premier paragraphe.
5.3 Familles logiques combinant transistors bipolaires et MOS (technologie BICMOS)
On va essayer dans ces circuits de combiner les avantages des deux types de transistors bipolaires (solidité) et MOS (forte densité d’intégration). Ces circuits sont surtout utilisés pour transmette des données sur des lignes de bus.
Les références de ces circuits sont souvent de la forme 75XXX pour les anciens circuits, les nouvelles séries étant référencées 74ALBXX, 74LVTXX, 74ABTXX etc....
5.4 Familles logiques à transistors bipolaires non saturés (familles ECL)
L'idée était ici de gagner en vitesse sans se préoccuper de la consommation : on utilise donc des transistors bipolaires que l'on fait fonctionner en bloqué passant, ce qui évitera le retard dû à l'extraction des charges dans la base lors du blocage.On parle alors de technologie ECL : "emitter coupled logic", logique à transistors couplés par l'émetteur. Apparue au début des années soixante, cette technologie permet d'obtenir des temps de propagation inférieurs à la ns pour une consommation de l'ordre de 25 mW par porte.
La rapidité de commutation impose de conditions d'utilisation assez draconiennes (adaptation d'impédance, lignes courtes etc...) tandis que la puissance consommée limite l'utilisation au strict nécessaire et l'interfaçage dès que possible avec une technologie CMOS. Ce type de circuit ne présente que peu d’intérêt aujourd’hui, concurrencée par des circuits spécifiques à composants plus rapides.
5.5 Résumé
Les circuits intégrés logiques TTL utilisant des transistors bipolaires permettent une bonne vitesse de fonctionnement, mais ont une consommation importante (ex tp=10 ns pour 2mW par porte en TTL LS).
Apparus par la suite, les circuits CMOS utilisent des transistors MOS complémentaires (canal N et canal P) et permettent une consommation statique très faible. Leur principal handicap, le manque de rapidité, a aujourd'hui pratiquement disparu par rapport aux circuits TTL : la famille HCMOS, pour une consommation statique presque nulle est aussi rapide que la TTL LS, cette dernière ne présentant plus d'intérêt pour les conceptions nouvelles. De nouvelle série HCMOS (série AC, AHC par exemples) sont plus rapide que la TTL LS.
La consommation dynamique des séries CMOS peut cependant rester importante : elle croit avec la fréquence et la capacité de charge.
La tendance actuelle consiste à diminuer la tension d'alimentation, ce qui a pour conséquence une diminution des dimensions du transistor, d'où une densité d'intégration plus grande et une vitesse plus importante.
Toutes ces familles logiques dont les circuits réalisent des fonctions figées, tendent à disparaître au profit de circuits intégrés dont on peut modifier la structure interne : PLD, CPLD, FPGA etc...
6 ASIC et composants à réseaux logiques programmables : PAL, PLD, CPLD, FPGA.
L'électronique moderne se tourne de plus en plus vers le numérique qui présente de nombreux avantages sur l'analogique : grande insensibilité aux parasites et aux dérives diverses, modularité et (re)configurabilité, facilité de stockage de l'information etc...
Les circuits numériques nécessitent par contre une architecture plus lourde et leur mode de traitement de l'information met en oeuvre plus de fonctions élémentaires que l'analogique d'où découle des temps de traitement plus long.
Aussi les fabricants de circuits intégrés numériques s'attachent-ils à fournir des circuits présentant des densités d'intégration toujours plus élevée, pour des vitesses de fonctionnement de plus en plus grandes.
D'abord réalisées avec des circuits SSI (Small Scale Integration) les fonctions logiques intégrées se sont développées avec la mise au point du transistor MOS (Metal Oxyde Semiconductor) dont la facilité d'intégration a permis la réalisation de circuits MSI (Medium Scale Integration) puis LSI (Large Scale Integration) puis VLSI (Very Large Scale Integration). Ces deux dernières générations ont vu l'avènement des microprocesseurs et microcontroleurs.
Bien que ces derniers aient révolutionné l'électronique numérique par la possibilité de réaliser n'importe quelle fonction par programmation d'un composant générique, ils traitent l'information de manière séquentielle (du moins dans les versions classiques), ne répondant pas toujours aux exigences de rapidité.
Au début des années 70 sont apparus les premiers composants (en technologie bipolaire) entièrement configurable par programmation. La nouveauté résidait dans le fait qu'il était maintenant possible d'implanter physiquement par simple programmation, au sein du circuit, n'importe quelle fonction logique, et non plus de se contenter de faire réaliser une opération logique par un microprocesseur dont l'architecture est figée.
D'abord dédiés à des fonctions simples en combinatoire (décodage d'adresse par exemple), ces circuits laissent aujourd'hui au concepteur la possibilité d'implanter des composants aussi divers qu'un inverseur et un microprocesseur au sein d'un même boîtier ; le circuit n'est plus limité à un mode de traitement séquentielle de l'information comme avec les microprocesseurs. L'intégration des principales fonctions numériques d'une carte au sein d'un même boîtier permet de répondre à la fois aux critères de densité et de rapidité (les capacités parasites étant plus faibles, la vitesse de fonctionnement peut augmenter).
La plupart de ces circuits sont maintenant programmés à partir d'un simple ordinateur type PC directement sur la carte où ils vont être utilisés. En cas d'erreur, ils sont reprogrammables électriquement sans avoir à extraire le composant de son environnement.
montage du circuit
non programmé programmation
sur site reprogrammation
éventuelle
De nombreuses familles de circuits sont apparues depuis les années 70 avec des noms très divers suivant les constructeurs : des circuits très voisins pouvaient être appelés différemment par deux constructeurs concurrents, pour des raisons de brevets et de stratégies commerciales. De même une certaine inertie dans l'évolution du vocabulaire a fait que certains circuits technologiquement différents ont le même nom.
De ces différentes dénominations, il ne reste aujourd’hui que :
- PLD (Programmable Logic Device) : circuit logique programmable intégrant une matrice ET programmable, une matrice OU fixe et plusieurs cellules de sortie (voir ci-après).
- CPLD (Complex Programmable Logic Device) : circuit intégrant plusieurs PLD sur une même pastille.
- FPGA (Field Programmable Logic Array) : réseau programmable à haute densité d'intégration.
Le terme même de circuit programmable est ambigu, la programmation d'un FPGA ne faisant pas appel aux même opérations que celle d'un microprocesseur. Il serait plus juste de parler pour les PLD, CPLD et FPGA de circuits à architecture programmable ou encore de circuits à réseaux logiques programmables.
Ce domaine de l'électronique est aussi celui qui certainement a vu la plus forte évolution technologique ces dernières années :
- en moins de 15 ans la densité d'intégration à été multipliée par 200 (2000 à 20 000 portes en 85 pour 72 000 à 4 000 000 en 2000)
- en moins de 10 ans la vitesse de fonctionnement par 6 (40 MHz en 91 pour 240 MHz en 2000)
- la taille d'un transistor est passée de 1,2 µm en 91à 0,18 µm en 2000.
- les technologies de conception ont fortement évolué, tel constructeur initiateur d'un procédé l'abandonne pour un autre, alors que le concurrent le reprend à son compte.
- la tension d'alimentation est passée de 5 V à 1,8 V diminuant ainsi la consommation.
Aussi est-il très difficile de s'y retrouver et de donner des ordres de grandeurs qui puissent être comparés
Parallèlement à ces circuits, on trouvera les ASIC (Application Specific Integrated Circuits) qui sont des composants où le concepteur intervient au niveau du dessin de la pastille de silicium en fournissant des masques à un fondeur. On ne peut plus franchement parler de circuits programmables. Les temps de développement long ne justifient l'utilisation que pour des grandes séries.
Les PLD, CPLD et FPGA sont parfois considérés comme des ASIC par certains auteurs.
Le tableau ci-après tente une classification possible des circuits numérique :
circuits logiques standards
74HC..
... microprocesseurs
microcontroleurs PLD, CPLD,
FPGA Asic pré-diffusés
Asic pré-caractérisés Asic full custom circuits à
fonctionnement programmable
circuits à architecture programmable et
faible temps de développement
circuits à temps de développement
important Circuits
numériques
6.1 Exemple de. PLD (Programmable Logic Device) de type 22V10
Ce circuit utilise une fonction ET programmable comme le montre la figure suivante (à gauche) :
I0 I1 I0 1
ET
I
S
cc
SET
V
La sortie SET réalise une fonction ET entre I1 et I2 (si les fusibles ne sont pas grillés) : si une entrée est au NL0, la sortie le sera aussi ; ce type de réalisation de la fonction ET permet d’obtenir facilement des fonctions avec un nombre d’entrées important (seules 2 ont été représentées sur la figure).
Un fusible en série avec chaque diode permet d’activer ou non l’entrée associée et ainsi de programmer la fonction. Ce fusible est aujourd’hui remplacé par un transistor MOS à grille flottante commandable électriquement.
La figure de gauche donne une représentation simple de cette fonction, ou chaque croix représente un point programmable.
La figure suivante représente une partie du circuit programmable où chaque entrée et son complémentaire est associée à une ligne verticale, qui pourra être relié ou non suivant la programmation à l’entrée de la fonction ET.
Toutes les sorties des fonctions ET sont elles mêmes reliées à une fonction OU non programmable, dont la sortie commande un OLMC (Output Logic MacroCell, dénomination du fabriquant Lattice).
La figure suivante détaille la partie nommée OLMC (les fonctions OU et ET y sont également représentées) :
Les deux multiplexeurs, dont la commande est commune, permettent par programmation les configurations suivantes du bloc de sortie :
- sortie combinatoire, inversée ou non ; on remarquera que dans ces deux cas, la sortie peut être utilisée comme entrée.
- ou en séquentielle, inversée ou non
La figure suivante donne une vue d'ensemble du circuit :
Ce circuit présente 12 entrées et 10 OLMC pouvant être utilisées suivant la programmation en entrée ou en sortie ; soit au total 22 entrées potentielles et 10 sorties ; la référence associé est alors 22V10, le « V » indiquant la versatilité des OLMC. Les délais de propagation des signaux est de 4 ns, autorisant une fréquence de fonctionnement jusqu'à 230 MHz. L'alimentation se fait en 5 V ou 3,3 V suivant les versions.
6.2 Programmation
Les étapes de programmation sont assistées par ordinateur et présentent la chronologie suivante : - description de la fonction souhaitée par entrée schématique ou syntaxique ; dans ce dernier cas on utilise un langage approprié appelé HDL (Hardware Description Language) comme le langage ABEL ou VHDL (Very High speed integrated circuit HDL)
- simulation logique puis temporelle de la fonction réalisée et éventuellement retour à l'étape précédente.
- compilation et génération d'un fichier de programmation.
- programmation et test physique du composant.
7 Précautions d'emploi
L'alimentation des circuits intégrés doit être le moins perturbée possible. Aussi lorsque la source d'alimentation est éloignée de la carte imprimée, un condensateur de 100 µF (ou plus si un grand nombre de circuits se trouve sur cette carte) doit être placé en parallèle sur la ligne d'alimentation.
Chaque circuit doit avoir à son tour son alimentation découplée par un condensateur non polarisé de 10 nF à 100 nF, placé le plus près possible du boîtier. Dans le cas où le circuit commute des intensités élevées (commande d'afficheurs sept segments à diodes électroluminescentes par exemple) prévoir en plus un condensateur de 100 µF.
Les entrées des fonctions ne doivent jamais rester en l'air. Lorsqu'elles sont inutilisées les relier à l'alimentation. Le niveau logique ainsi imposé doit évidement être choisi de manière à permettre un fonctionnement correct du montage.
En CMOS les entrées ne doivent pas être portées à un potentiel supérieur au "plus" de l'alimentation et inférieur à la masse (mise en court-circuit des diodes d'entrée). Elles ne doivent pas non plus être mises sous tension avant le circuit intégré.
