L’électronique analogique traite des signaux qui varient de façon continus dans le temps; c’est un moyen efficace dès lors qu’il s’agit  de récupérer des signaux tels que l’audio, ou des signaux fournis par des capteurs, afin de les traiter ou de les stocker par des systèmes numériques.

Les circuits logiques assurent la coordination des échanges entre les convertisseurs analogiques numériques ou numériques analogiques et le dispositif numérique traitement ou de stockage.  Les signaux mis en œuvre sont discrets (1 pour un état haut, 0 pour un état bas).

 

Familles de circuits logiques

On distingue plusieurs familles de circuits logiques.

 

Les circuits logiques combinatoires :

        Portes logiques NON, ET, OU, …

        Multiplexeurs et démultiplexeurs ;

        Additionneurs, codeurs, décodeurs, …

Les circuits logiques séquentiels :

        Bascules, compteurs, registres.

 

Les mémoires :

Mémoires vives (RAM), mémoires mortes (ROM).

 

Pour un circuit logique combinatoire, les sorties sont fonction uniquement de la valeur des entrées. Un circuit logique est définit par une ou plusieurs fonctions logiques.

Tandis que dans le cas d’un circuit logique séquentiel, les sorties sont fonction des entrées, des valeurs calculées précédemment, et de l’état dans lequel on se trouve. Avec la notion de mémoire et d’horloge.

Pour étudier et spécifier les différents types de circuits logiques, on a :

L’algèbre de Boole pour les circuits combinatoires ;

La théorie des automates finis pour les circuits séquentiels.

Ces différentes méthodes de synthèses des circuits logiques, ne seront pas abordées ici.  Il existe sur le web, ou dans de nombreux ouvrages, quantité d’articles ou de sources variées qui présentent ces calculs en détails.  

La porte logique constitue le composant de base d’un système logique. On va présenter uniquement les caractéristiques principales, les différentes utilisations des sorties, ainsi que les précautions d’emploi d’un circuit intégré à composants logiques.

 

Caractéristiques principales d’une porte logique 

Caractéristiques électrique :

Nous allons prendre comme exemple une porte TTL standard (SN7400 de Texas Instruments) ; bien que ce type de circuit soit très ancien, tout porte à croire qu’il est obsolète, et pourtant il continue toujours d’être vendu par des grandes enseignes de la distribution de composants.

Le tableau ci-après extrait de la documentation technique de Texas Instruments, en donne quelques caractéristiques principales :

 

Série TTL Standard  

minimum   

Typique  

maximum  

Unités

VCC

4,75

5,00

5,25

V

VIH

2,00

   

V

VIL

   

0,80

V

VOH

2,4

3,4

 

V

VOL

 

0,20

0,40

V

 

VCC : tension d’alimentation ;

VIH : tension d’entrée au niveau haut (niveau logique 1);

VIL : tension d’entrée au niveau bas (niveau logique 0) ;

VOH : tension du niveau haut en sortie (niveau logique 1);

VOL : tension de niveau bas en sortie (niveau logique 0).

 

D’après le tableau ci-dessus, on note cependant que pour une entrée, une tension comprise entre 0,8V et 2V correspond à un niveau logique indéterminé. Il en est de même pour une tension sur une sortie comprise entre 0,4V et 2,4V.

La sortie d'une porte logique équivaut au schéma électrique ci-dessous :

 

sortie portelogique

 

Le courant maximum débité à l’état haut par la porte logique IOH max est égal à – 0,4 mA, d’après la documentation technique du constructeur;

Le schéma électrique équivalent d’une entrée de la porte est donné par la figure suivante

 

entree portelogique

 

Lorsqu'un niveau haut arrive sur l'entrée d'une porte logique, la broche correspondante consomme un courant IIH.

Il est possible de calculer le nombre de charges (ou entrées logiques) qu’une sortie peut commander.   Ce paramètre est appelé : la Sortance (fan-out).

 

Par exemple pour une porte logique de la série SN74XX.

A titre d’illustration, la sortie d’une SN7408 connectée à l'entrée de portes inverseuses :

 

A l’état haut :

sortancehaut

 

La sortie de la porte délivre un courant IOH de 0,4 mA maximum.

L'entrée absorbe un courant IIH de 40 μA

La Sortance à l’état haut Sh =  400 μA/ 40 μA = 10.

 

A l’état bas :

 

sortancebas

 

Un courant circule de l’entrée de la porte « NON », vers la sortie de la porte « ET ».

D'après les données constructeur, ce courant IIL = - 1,6 mA, (pour le calcul on prendra la valeur absolue).  La sortie de la porte « ET » peut supporter un courant de 16 mA au maximum.

La Sortance à l’état bas Sb = 16/1,6 = 10.

On peut donc conclure que la Sortance d’une prote TTL standard est égale à 10.

 

De même on définit pour une porte logique l’Entrance (fan-in) : c’est le nombre de charges que le circuit représente en entrée pour une sortie l’alimentant.***à redéfinir***

D’après les données constructeur du SN74LS00, à l’état haut l’entrance Eh =  20 uA / 40 uA = 0.5; et à l’état bas, Eb = 0,4 mA / 1,6 mA = 0,25.

 

Autres caractéristiques

Températures ambiantes, SN7400 : de 0 à 70C.

Fréquences maximales d’utilisation : 35 MHz.

 

Immunité au bruit :

Elle se caractérise par l’amplitude du signal entrant qui provoque un changement d’état à la sortie du circuit. Si on considère le  cas le plus défavorable, l’immunité au bruit est de VOH – VIL sur le niveau 1 et VIL – VOL sur le niveau 0. Soit 0,4V pour une porte TTL. Dans la réalité ces valeurs peuvent être dépassées si le signal parasite est suffisamment bref.

Ce comportement peut également être amélioré, en plaçant un condensateur de 10 nF à 100 nF au plus près des broches d’alimentation des composants.

 

Durée de propagation:

Une porte logique met une certaine durée (exprimée en nano secondes) pour répondre à une sollicitation sur une entrée,  ou pour délivrer le signal  traité en sortie.

La figure suivante illustre ce fonctionnement

duree depropagation 

Temps de retard d’une porte :

Les retards notés tPLH et tPHL,  correspondent aux transitions bas (Low) vers haut (High) et inversement. Ces temps sont mesurés en prenant comme origine et fin, les moments où les signaux d’entrée (Input) et de sortie (Output) passent par un potentiel V spécifié par les caractéristiques du constructeur.

 

tempsretardporte

 

Temps de montée et de descente :

Ces temps sont mesurés entre 10% et 90% de l’amplitude du signal. Pour les circuits logique de la série SN54XX ou SN74XX, ils sont inférieurs à 7 ns.

 

Utilisation des sorties

Sortie à collecteur ouvert (open collector) :

Un circuit à collecteur ouvert permet d’avoir une tension différente de VCC pour l’alimentation du circuit de commande. Ce type de circuit présente une forte impédance de sortie, et une capacité de charge importance. Raison pour laquelle ils ont souvent besoin d’une résistance additionnelle, connectée à VCC. Cette résistance est de l’ordre de quelques kilos Ohms. Ces circuits permettent de réunir plusieurs sorties, avec une résistance de rappel.

 

Sorties bufférisées :

Ce type de circuits possède des amplificateurs de courant sur les sorties. La présence de ces étages tampons permet d’améliorer l’immunité au bruit statique.

 

Sorties trois états (Tree State Output):

En sortie, dans le cas d’une porte classique (Voir les schémas proposés dans les paragraphes précédents), au moins un des transistors parmi les deux est conducteur. La porte occupe ainsi soit un état haut ou un état bas.

Dans le cas des circuits logiques à sortie trois états, il est possible grâce à une entrée de validation « ENABLE » (ENABLE = 0), de bloquer simultanément les deux transistors, on dispose alors de trois états en sortie :

Etat haut, le premier transistor conduit, tandis que l’autre est bloqué ;

Etat bas, le second transistor conduit, tandis que l’autre est bloqué ;

Etat haute impédance (Z), les deux transistors sont bloqués.

 

Le courant de charge dans ce dernier état se réduit alors uniquement au courant de fuite.

Précautions d’utilisation :

Tension d’alimentation : Découpler les broches d’alimentation avec des condensateurs céramiques de 10 nF à 100 nF.

Manipulation : couper l’alimentation avant toute manipulation du composant, monté sur circuit imprimé. Protéger les circuits CMOS des charges d’électricité statique.

 

Entrées non utilisées :

Pour minimiser l’effet des signaux parasites sur les entrées non utilisées ; il ne faut pas laisser en l’air ces entrées. Il est plutôt préférable de les relier à VCC ou au 0 V.

 

Familles logiques

On peut réaliser des circuits logiques à l’aide de composants discrets (Résistances et diodes ou des transistors).

Exemple de porte OU à trois entrées à diodes :

 

porteoudiscrete

 

Mais ce type de solution, bien que pratique et simple à mettre en œuvre présente des inconvénients :

Dégradation du signal de sortie ;

Peut faire accroître la consommation du montage;

Nombre d’entrées limité.

Les familles de circuits bien plus pratiques utilisent des solutions intégrées. Parmi celles-ci on a différentes technologies :

Les circuits TTL (Transistors Transistors Logic) ;

Les circuits CMOS (Complematary Metal Oxyde Silicium) ;

La famille CMOS 3,3V.

Avec l’évolution technique, l’offre du marché propose des circuits de plus en miniaturisés, de plus en plus rapides, moins gourmands en énergie et moins polluants.