Caractéristiques des Circuits Intégrés Numériques
Technologie TTL - Série 74 (Transistor Transistor Logic) Ou
logique à transistor bipolaires
Dans cette série, il existe 7 grandes familles :
TTL standard 74 x x TTL low power schottky 74 L S x x TTL low power 74 L x x TTL advanced schottky 74 A S x x TTL schottky 74 S x x TTL advanced low power schottky 74 A L S x x TTL fast 74 F x x
Code de désignation :
Exemple : SN 74 LS 020 N
Pour un même numéro de type de circuit, la fonction et le brochage sont identiques.
En général, c’est la vitesse (temps de propagation interne du signal) ou la puissance dissipée qui déterminent le choix d’une famille.
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VNL
VNH
VILmax
VIHmin
VOLmax
VOHmin
état logique 1
état logique 0 bande indéterminé tension
état logique 1
état logique 0 bande indéterminé
gammes des tensions en sortie exigences des tensions en entrée Paramètres tensions
VIHmin : tension d’entrée niveau haut
Niveau de tension nécessaire pour avoir un 1 logique en entrée d’un circuit logique
Toute tension inférieure à ce niveau n’est pas considérée comme un état 1 (haut) VILmax : tension d ‘entrée niveau bas
Niveau de tension nécessaire pour avoir un 0 logique en entrée
Toute tension supérieure à ce niveau n’est pas considérée comme un état 0 (bas) VOHmin : tension de sortie niveau haut
Niveau minimal de tension en sortie d’un circuit logique correspondant à l’état logique 1
VOLmax : tension de sortie niveau bas
Niveau maximal de tension en sortie correspondant à l’état logique 0
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Cas d'un inverseur TTL Structure de base
Si E = Vcc transistor saturé S ≈ 0 Si E = 0 transistor bloqué S ≈ +Vcc
Caractéristique de transfert VCC
RC
RB E
S
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Page 3 sur 15 Sorties d’un circuit logique
Sortie normale (type totem-pôle)
Une sortie "totem-pole" est une sortie qui est capable de fournir les niveaux 0L et 1L.
Il est interdit, sous peine de court-circuit entre alimentation et masse, de relier ces sorties entre elles.
Toutefois, si l'on souhaite augmenter la sortance d'une fonction, il est possible de connecter des sorties entre elles, à condition qu'elles fournissent chacune le même signal de sortie.
Dans le cas présenté ici, les états de sortie (0L ou 1L) sont obtenus par mise en conduction de T2 ou T3.
Sortie collecteur ouvert
Une sortie "collecteur ouvert" n'est capable de fournir que le niveau 0L ... et rien d'autre.
Le niveau 1L est fourni par une résistance externe dite résistance de rappel ou de "pull-up" (de l’ordre de 1 kΩ à 10 kΩ).
Ces sorties peuvent être connectées entre elles et à une résistance de rappel afin de réaliser des fonctions - "ET câblé" et "OU câblé"
- d'interfaçage (passage d'un niveau logique à un autre) - de multiplexage d'informations et des connexions à un bus
Le montage à collecteur ouvert, même en utilisant une résistance minimale, est beaucoup plus lent que les sorties TTL en totem-pôle. Il ne faut pas utiliser ces circuits dans les applications où la rapidité de commutation est un paramètre essentiel.
Une valeur de R faible offrira un temps de montée plus court, au détriment d'une plus grande consommation
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Page 4 sur 15 Sortie trois états (3-state output)
Une sortie "trois états" (three state) ou "3S" est une sortie qui est capable de fournir
- le niveau logique "0"
- le niveau logique "1"
... et un état haute impédance qui permet la déconnexion, l'isolement de cette sortie du reste du système (T2 et T3 bloqués)
Les sorties "trois états" sont faites pour être connectées entre elles sans résistance de "pull-up". Elles ont des temps de montée et de descente rapides et permettent les connexions à un bus de données ou d'adresses..., ce qui revient à un multiplexage temporel de ces signaux
Cas des entrées non utilisées en logique TTL : Une entrée non connectée (en l'air) est à l'état haut.
Il est toutefois conseillé de ne pas laisser une entrée en l'air, car elle devient sensible aux bruits.
Dans la mesure du possible, elle doit être reliée à Vcc.
On peut aussi la relier à une entrée utilisée ou à la masse, mais ceci augmente la consommation du circuit.
Ne jamais réunir deux sorties normales ensemble, risque de court-circuit !
Seules les sorties à collecteurs ouverts peuvent être reliées ensemble.
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Paramètres courants
IIH : courant d’entrée niveau haut (courant entrant)
Courant qui traverse une borne d’entrée quand une tension niveau haut est appliquée à cette entrée
IIL : courant d’entrée niveau bas (courant sortant)
Courant qui traverse une borne d’entrée quand une tension niveau bas est appliquée à cette entrée
IOH : courant de sortie niveau haut (courant sortant)
Courant qui traverse une borne de sortie placée au niveau 1 dans des conditions de charge spécifiées
IOL : courant de sortie niveau bas (courant entrant)
Courant qui traverse une borne de sortie placée au niveau 0 dans des conditions de charge spécifiées
IIL IIL IIL IOL Etat bas
IIH IIH IIH IOH Etat haut
VCC RC
RB E
S
VNL
VNH
VILmax
VIHmin
VOLmax
VOHmin
état logique 1
état logique 0 bande indéterminé tension
état logique 1
état logique 0 bande indéterminé
gammes des tensions en sortie exigences des tensions en entrée Page 6 sur 15 Immunité aux bruits
L’immunité aux bruits d’un circuit logique définit l’aptitude du circuit à tolérer des tensions parasites sur ses entrées. La mesure quantitative de l’immunité aux bruits est appelée la marge de bruit (noise margin).
La marge de bruit à l’état haut VNH est définie comme : VNH = VOHmin - VIHmin
La marge de bruit à l’état bas VNL est définie comme : VNL = VILmax - VOLmax
tPHL entrée
sortie
tPLH
Temps de propagation (ou retards de propagation)
Un signal logique qui traverse un circuit subit toujours un retard.
Deux retards de propagation sont définis :
tPLH : retard pour passer du niveau BAS au niveau HAUT tPHL : retard pour passer du niveau HAUT au niveau BAS
Les retards sont mesurés entre les points à mi-hauteur des transitions d’entrée et de sortie.
Exemple d’un inverseur :
Généralement, tPHL et tPLH sont différents et varient tous les deux selon les conditions de charge.
Ces temps de propagation servent généralement de mesure pour la vitesse relative des circuits logiques.
Consommation
Tous les CI en fonctionnement consomment une certaine quantité d’énergie électrique.
Cette énergie est délivrée par une ou plusieurs tensions d’alimentation raccordées aux broches d’alimentation du boîtier. Généralement il n’y a qu’une borne d’alimentation par boîtier, appelé VCC (pour les TTL) ou VDD (pour les MOS).
Si ICC est le courant absorbé par le CI, alors la puissance réelle consommée PD est le produit ICC x VCC.
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Page 7 sur 15 Sortance, Entrance
Normalement, la sortie d’un circuit logique doit piloter plusieurs entrées logiques.
Lors des associations de circuits, la somme des courants d’entrée ne doit pas être supérieure au courant de sortie du circuit qui les commande.
La sortance (fan out) est le nombre maximal d’entrées que l’on peut connecter à une sortie.
Elle s’exprime en Unité de charge Logique (U.L.).
La définition d’une charge unitaire est la suivante : 40 µµA à l’état HAUT et 1,6 mA à µµ l’état BAS.
Ces valeurs correspondent à la série TTL standard. Autrement dit, le courant maximal qui entre par une entrée TTL standard dans l’état HAUT est IIHmax = 40 µA, et le courant maximal qui quitte une entrée TTL standard dans l’état BAS est IILmax = 1,6 mA.
Sortance à l’état bas =
mA 1,6
I I
I OLmax
max IL
max
OL = (en U.L.)
Sortance à l’état haut =
A 40 I I
I OHmax
max IH
max OH
= µ (en U.L.)
Même si ces facteurs de charge sont ceux de la série standard, on les utilise quand même pour exprimer les exigences d’entrée et les capacités d’attaque de la sortie de toutes les séries TTL.
Entrance (fan in) : Entrance à l’état bas =
mA 1,6
IILmax
(en U.L.) Entrance à l’état haut =
A 40 IIHmax
µ (en U.L.)
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Page 8 sur 15 Comparaison des paramètres de différentes familles de logique TTL
Tension d’alimentation = 5 V Température ambiante = 25 °C Capacité de charge = 15 pF
TTL CMOS
74 74L 74F 74S 74AS 74LS 74ALS 74HC 4000B
VOHmin 2,4 v 2,4 v
2,4 v 2,7 v 2,7 v 2,7 v 2,7 v
VIHmin 2 v 2 v 2 v 2 v 2 v 2 v 2 v VOLmax 0,4 v 0,3
v
0,4 v 0,5 v 0,5 v 0,5 v 0,5 v
VILmax 0,8 v 0,8 v
0,8 v 0,8 v 0,8 v 0,8 v 0,8 v
Retard de propagation
10 ns
33 ns
6 ns 3 ns 1,5 ns
9,5 ns
4 ns 7 ns 40 ns
Consommation 10 mW
1 mW
22 mW
19 mW
20 mW
2 mW
1 mW << <<
Marge de bruit à l’état haut
à l’état bas
Sortance 40 20 50 50 50 20 20 10 2
Première génération
- 74 : normale ou standard, la première introduite sur le marché - 74L : low power, faible consommation, applications lentes - 74F : high speed, vitesse de commutation élevée
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Deuxième génération
les transistors ne fonctionnent plus en saturation grâce aux diodes Schottky (faible seuil 0,25v) placées entre base et collecteur, ce qui réduit les temps de commutation.
- 74S: applications rapides
- 74LS : destinée à remplacer la série normale Troisième génération
améliorations par réduction des capacités de jonction.
- 74AS : advanced Schottky ou F ( Fairchild advanced Schottky technology) - 74ALS : advanced low power Schottky
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Série 4000 – CIRCUITS INTÉGRÉS CMOS
Principe : utilisation des transistors CMOS (PMOS ET NMOS)
Caractéristique de transfert d'un inverseur CMOS
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Page 10 sur 15 CMOS : Série 4000
Les circuits CMOS (série 4000) sont moins rapides que les circuits TTL mais ils ont une consommation beaucoup moins importante.
A l'heure actuelle, ces différences tendent à s'estomper puisqu'on fabrique des TTL à faible consommation et des CMOS rapides.
Entrées inutilisées :
Les entrées CMOS ne doivent jamais rester non branchées, mais raccordées au 0 V, au VDD, à une autre entrée utilisée ou mises à la masse ou à VDD à travers une résistance.
En effet, une entrée non connectée capte les signaux parasites, ce qui peut se traduire par une plus grande consommation et une surchauffe importante.
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Page 11 sur 15 Caractéristiques des circuits
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CMOS : Série 74
CMOS rapides (high speed CMOS) 74 H C x x et 74 H C T x x CMOS classiques 74 C x x (technologie identique à la série 4000) Les familles 74 HC et 74 HCT sont des circuits CMOS rapides et consommant trés peu comme toutes les familles CMOS.
Elle se différencie de la famille CMOS 4000B par:
une tension d'alimentation comprise entre 2 V à 6 V une grande rapidité
un plus grand courant de sortie, sortance plus élevée.
La famille 74 HC est caractérisée par une grande immunité aux bruits contrairement au TTL et 74 HCT.
La famille 74 HCT est née d'un besoin de compatibilité des signaux entre les TTL et les CMOS.
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Page 14 sur 15 COMPATIBILITÉ D’ASSOCIATION DES CIRCUITS TTL ET CMOS
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