Chapitre 1: Caractéristiques électriques d'une porte logique TTL-standard PDF

République Tunisienne Ministère de l’Enseignement Supérieur, et de la Recherche Scientifique Université de Gabès Institut Supérieur d’Informatique et de Multimédia de Gabès ISIMG Chapitre 1: Caractéristiques électr...

République Tunisienne Ministère de l’Enseignement Supérieur, et de la Recherche Scientifique Université de Gabès Institut Supérieur d’Informatique et de Multimédia de Gabès ISIMG Chapitre 1: Caractéristiques électriques d’une porte logique TTL- TTL-standard Najoua BENNAJI Maitre de Conférences en Electronique et Microélectronique à l’I.S.I.M.G. Habilitation Universitaire en Electronique et Microélectronique à Sup'Com Docteur Ingénieur en Electronique à l’I.N.S.A.T Email : [email protected] Année universitaire : 2021/2022 Électronique Numérique I.S.I.M.G:: 2022 I.S.I.M.G 2022--2023 11  Sommaire Introduction 1- Tensions 2- Courants 2-1- Courant de sortie (sortie « totem pôle ») 2-2- Courant d’entrée 3- Connexion d’une sortie à une entrée 4- Connexion d’une sortie à plusieurs entrées 5- Sortance (fan-out) 6- Connexion des sorties 7- Cas des entrées non utilisées 8- Découplage de la source d’alimentation 9- Durées de propagation 10- Fréquence maximale d’utilisation 11- Schéma interne des portes logiques 12- Consommation électrique Électronique Numérique I.S.I.M.G:: 2022 I.S.I.M.G 2022--2023 22  Introduction Les circuits intégrés de la famille TTL-Standard sont à l’échelle de l’électronique, très anciens (milieu des années 60). Et pourtant, ils sont encore commercialisés ! J’ai en ma possession de vieux data book de Texas Instruments datant de 1972. On y retrouve les fonctions habituelles (porte, multiplexeur, bascule, compteur, registre, buffer …). Certaines références sont maintenant caduques, mais la plupart existent encore (qui ne connaît pas la première de la série, le 7400 ?). Je vous propose, dans ce qui suit, d’en savoir un peu plus. 1- Tensions H = High-level = niveau logique « 1 » (en logique positive) L = Low-level = niveau logique « 0 » (en logique positive) I = Input O = Output Gamme de température ambiante : série 74 (usage commercial) : 0 à 70 °C série 54 (usage militaire) : - 55 à +125 °C Électronique Numérique I.S.I.M.G:: 2022 I.S.I.M.G 2022--2023 33  En entrée : 0 à 0,8 V = niveau logique 0 2,0 à 5,0 V = niveau logique 1 0,8 à 2,0 V = niveau logique indéterminé (fonctionnement incorrect) En sortie : 0 à 0,4 V = niveau logique 0 2,4 à 5,0 V = niveau logique 1 0,4 à 2,4 V = niveau logique indéterminé (fonctionnement incorrect) Électronique Numérique I.S.I.M.G:: 2022 I.S.I.M.G 2022--2023 44  2- Courants 2-1- Courant de sortie IO (sortie « totem pôle ») Sauf indication contraire, le circuit de sortie est en configuration « totem pôle » : Au niveau haut, la sortie débite un courant. Attention : pour un fonctionnement normal, il ne faut pas dépasser : I OH max = - 400 µA Remarque : avec la sortie en court-circuit à la masse, le courant peut atteindre - 55 mA (IOS max). Électronique Numérique I.S.I.M.G:: 2022 I.S.I.M.G 2022--2023 55  Au niveau bas, la sortie consomme un courant. Attention : il ne faut pas dépasser : I OL max = +16 mA 2-2- Courant d’entrée II Électronique Numérique I.S.I.M.G:: 2022 I.S.I.M.G 2022--2023 66  Au niveau bas, l’entrée débite un courant. I IL max = -1,6 mA Au niveau haut, l’entrée consomme un faible courant (le transistor conduit en inverse). I IH max = +40 µA Électronique Numérique I.S.I.M.G:: 2022 I.S.I.M.G 2022--2023 77  3- Connexion d’une sortie à une entrée On relie une sortie TTL à une entrée TTL par un simple fil. Exemple : sortie d’une porte AND (7408) reliée à l’entrée d’une porte OR (7432) : Électronique Numérique I.S.I.M.G:: 2022 I.S.I.M.G 2022--2023 88  Sortie au niveau bas Le niveau commun est de l’ordre de 0,2 V : cela correspond bien à un niveau logique 0 pour la sortie et pour l’entrée. Un courant (1,6 mA max.) circule de l’entrée vers la sortie. Électronique Numérique I.S.I.M.G:: 2022 I.S.I.M.G 2022--2023 99  Sortie au niveau haut Le niveau commun est de l’ordre de 3,4 V : cela correspond bien à un niveau logique 1 pour la sortie et pour l’entrée. Un courant (40 µA max.) circule de la sortie vers l’entrée. Électronique Numérique I.S.I.M.G:: 2022 I.S.I.M.G 2022--2023 10 10  4- Connexion d’une sortie à plusieurs entrées Exemple Sortie d’une porte AND (7408) reliée à l’entrée d’une porte OR (7432) et à l’entrée d’une porte inverseuse (7404) : Sortie au niveau haut Un courant IIH (40 µA max.) entre dans chaque entrée. Pour deux entrées, cela fait donc un courant IOH de 80 µA (max.) en sortie. Sachant que |IOH max| = 400 µA, on peut relier au maximum 10 entrées. Électronique Numérique I.S.I.M.G:: 2022 I.S.I.M.G 2022--2023 11 11  Sortie au niveau bas Un courant IIL(1,6 mA max.) sort de chaque entrée vers la sortie. Pour deux entrées, cela fait au total un courant IOL de 3,2 mA (max.) en sortie. Sachant que IOL max = 16 mA, on peut relier au maximum 10 entrées à une sortie 5- Sortance (fan-out) Définition : c’est le nombre maximum d’entrées que l’on peut connecter à une sortie. Sortance d’une porte TTL-standard = 10 6- Connexion des sorties Avec un circuit de sortie en configuration « totem pôle », on ne peut pas connecter plusieurs sorties entre elles. Une sortie est normalement reliée à des entrées (10 au maximum). Électronique Numérique I.S.I.M.G:: 2022 I.S.I.M.G 2022--2023 12 12  Nous verrons plus loin qu’il existe des configurations qui autorisent la connexion entre sorties : - circuit de sortie en configuration « collecteur ouvert » - circuit de sortie en configuration « 3 états » 7- Cas des entrées non utilisées Les entrées non utilisées doivent être forcées à un niveau logique défini (suivant le cas, niveau bas ou bien niveau haut). On évite ainsi de dégrader l’immunité aux bruits ainsi que les durées de propagation (voir plus loin). - Niveau haut Pour les portes NAND et AND, on relie les entrées non utilisées à VCC via des résistances R de 1 kΩ à 10 kΩ. Exemple : on veut réaliser une porte inverseuse à partir d’une porte NAND à 2 entrées : Électronique Numérique I.S.I.M.G:: 2022 I.S.I.M.G 2022--2023 13 13  - Niveau bas Pour les portes NOR et OR, on relie les entrées non utilisées directement à la masse. Malheureusement, on consomme alors un courant assez important (Wilma = -1,6 mA). Exemple : on veut réaliser une porte inverseuse à partir d’une porte NOR à 3 entrées (7427) : - Les entrées des portes non utilisées doivent également être reliées à VCC via des résistance de 1 kΩ à 10 kΩ. Électronique Numérique I.S.I.M.G:: 2022 I.S.I.M.G 2022--2023 14 14  1-8- Découplage de la source d’alimentation Les circuits logiques (en particulier les compteurs et les registres à décalage) sont sensibles aux perturbations électriques. Ces perturbations proviennent de la source d’alimentation mais aussi des circuits logiques eux-mêmes qui sont sources de pollution. On peut adopter la règle suivante : Un condensateur de 10 à 100 nF par boîtier (à connecter le plus près possible) 1-9- Durées de propagation Une porte a besoin d’un certain temps (ça se mesure en nanosecondes) pour effectuer son travail. Électronique Numérique I.S.I.M.G:: 2022 I.S.I.M.G 2022--2023 15 15  1-10- Fréquence maximale d’utilisation FMAX est limitée par les durées de propagation (de l’ordre de 10 ns) Pour la famille TTL-standard : environ 35 MHz. 1-11- Schéma interne des portes logiques Fonctionnement simplifié du 7400 (NAND à deux entrées) On trouve un transistor multi-émetteurs Q1 en entrée : Électronique Numérique I.S.I.M.G:: 2022 I.S.I.M.G 2022--2023 16 16 Si l’une au moins des entrées est au niveau bas, le transistor Q1 conduit ⇒ Q2 bloqué ⇒ Q3 conducteur et Q4 bloqué ⇒ sortie au niveau haut. Remarques : Le courant maximum dans la résistance de 4 kΩ est : (VCC - VBE1)/4 kΩ ≈ (5 - 0,6)/4 kΩ = 1,1 mA Aux incertitudes près, on retrouve la valeur indiquée par le constructeur : |IIL max| = 1,6 mA Le courant maximum débité en sortie est : (VCC - VCE3 – Vdiode)/130 Ω ≈ (5 - 0,2 - 0,6)/130 Ω = 32 mA Le constructeur indique que : | IOS max| = 55 mA Si toutes les entrées sont au niveau haut, le transistor Q1 conduit en inverse (avec un β faible) ⇒ Q2 conducteur ⇒ Q3 bloqué et Q4 conducteur ⇒ sortie au niveau bas. On retrouve bien la table de vérité de la porte NAND. Remarque : Le courant maximum dans la résistance de 1,6 kΩ est : (VCC - VCE2 - VBE4)/1,6 kΩ ≈ (5 - 0,2 - 0,6)/1,6 kΩ = 2,6 mA Électronique Numérique I.S.I.M.G:: 2022 I.S.I.M.G 2022--2023 17 17  Une porte inverseuse (7404) est construite comme une porte NAND à une entrée : Sans surprise, voici le schéma interne d’une porte NAND à 3 entrées (7410) : Électronique Numérique I.S.I.M.G:: 2022 I.S.I.M.G 2022--2023 18 18  Schéma interne d’une porte AND (7408) Une porte AND est une porte NAND dont on inverse la sortie : Schéma interne d’une porte NOR (7402) Électronique Numérique I.S.I.M.G:: 2022 I.S.I.M.G 2022--2023 19 19  Schéma interne d’une porte OR (7432) Une porte OR est une porte NOR dont on inverse la sortie : 1-12- Consommation électrique Exemple d’une porte NAND 7400 - sortie au niveau haut : environ 1 mA - sortie au niveau bas : environ 3 mA Pour le boîtier (4 portes) : I CCH = 4 mA (typique) I CCL = 12 mA (typique) Électronique Numérique I.S.I.M.G:: 2022 I.S.I.M.G 2022--2023 20 20