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Paramètres des circuits logiques (9/9)

les familles logiques de la TTL à CMOS
paramètres électriques une longue liste
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Les familles logiques
La même fonction peut-être réalisée selon des schémas ddifférents chez des fondeurs différents, mais avoir pour l'utilisateur des caractéristiques semblables. Par contre elle peut être réalisée selon le même logigramme mais avec des technologies différentes, alors les paramètres électriques seront différents.

On identifiera les diverses familles logiques et les fonctions grâce au codage imprimé sur le boitier. Ainsi, par exemple, le code ci-dessous:

SN 74 LS 00 N

comporte 5 indications différentes.
  • SN permet de repérer le nom du fabricant, Il s'agit ici d'un repère signifiant série standard propre au fondeur Texas Instruments.
  • Le code numérique suivant permet d'identifier qu'il s'agit d'un circuit numérique adapté pour une certaine plage de température (0-70°C), 54 signifierait (-55 +125°C), tandis que 40 se rapporterait à une version MOS. Au début de l'électronique numérique ces codes numériques étaient significatifs d'une certaine technologie, aujourd'hui le nombre de technologie a fortement augmenté, parfois un circuit est réalisé en mixant deux technologies aussi ces codes numériques n'ont plus grand sens.
  • Le code suivant, LS ici, est au contraire maintenant significatif de la technologie employée et donc des valeurs de certains paramètres. LS veut dire Low power Schottky
  • 00 numéro du boitier identifie le circuit ici un quadruple NAND
  • N identifie le type de boitier (package) ici un boitier plastique dual in line
les caractéristiques d'une famille

Listons les principales caractéristiques avant d'examiner plus en détail certaines d'entre elles dans les paragraphes suivants.
  • procédé de fabrication
  • caractéristiques électriques : tension d'alimentation, tensions de codage des niveaux 0 et 1, temps de commutation (fréquence maxi de fonctionnement), puissance consommée, protection contre les parasites, immunité aux bruits
  • autres caractéristiques : température de fonctionnement (0-70°C: grand public, professionnel, -40+85°C: industriel, -55+125°C: militaire), encapsulation (plastique, céramique, CMS...)
  • règles d'association
les familles les plus courantes
  • TTL standard : temps de transit par porte 10ns, consommation par porte 10 mW.
  • TTL H high speed : 6 ns, 22 mW
  • TTL L low power : 33 ns, 1 mW
  • TTL S schottky : 3 ns, 19 mW
  • TTL ALS advanced schottky : 10 ns, 2 mW
  • TTL LS low power schottky : 6 ns, 1 mW
  • FAST : 3 ns, 3 mW
  • ECL : 300 ps
  • BICMOS: 2,5 ns, environ 250 µW mais possibilité de 64mA en sortie
  • CMOS HC: quelques µW, alim 2-6 V
  • CMOS HCT rapide comme LS et très faible consommation, alim 4.5 - 5.5 V
  • NMOS série 40 lent et faible consommation mais alim 3 - 18 V
    • Précisons que cette liste n'est pas exhaustive et que d'un fondeur à l'autre ces caractéristiques peuvent légèrement varier. En conséquence lors de l'emploi d'un circuit il conviendra de vérifier la fiche technique du constructeur.

    paramètres électriques
    tension d'alimentation, celle-ci est très variable. En technologie TTL on a fixé 5V à 5% près, en CMOS la tendance pour réduire la consommation a d'abord été de passer à 3.3V puis progressivement 1.8V et certains circuits fonctionnent actuellement avec moins de 1V de tension d'alimentation.

    codage des niveaux logiques

    Prenons le cas d'un simple inverseur


    La caractéristique théorique serait le créneau noir, mais en pratique il y a plusieurs causes de déformation qui font que la caractéristique réelle est la plage bleue. Trois éléments interviennent : la température, la charge appliquée au circuit, les variations de la tension d'alimentation. De cette plage de transfert réelle on peut tirer VH min et VB max : la sortie vaudra 1 si S > VH min, 0 si S < VB max. De même pour l'entrée. Ainsi le constructeur nous donne :

    VIL max 0.8V
    VIH min 2.0V
    VOL max 0.4V
    VOH min 2.4V

    Les valeurs sont sensiblement les mêmes en NMOS et parfois un peu différentes en CMOS (ainsi VIH = 2.2 V chez Zilog)

    temps de commutation


    tPHL durée de la transition du niveau haut au niveau bas (50%)

    On définit aussi les temps de montée tr et de descente tf mesurés entre 10 et 90%

    puissance consommée

    C'est la somme de 2 termes : la puissance continue Wc nécessaire à l'alimentation du circuit et la puissance dynamique nécessaire pour charger les condensateurs parasites du circuit et de sa charge Wd


    schéma équivalent pour sortie à niveau haut ou bas

    Wc = Wcs (puissance statique consommée en l'absence de commutation) + Wct (puissance transitoire définie par pendant une période du signal)

    Wd = C (DVs)2 f, si C est la capacité parasite aux bornes de laquelle la tension fluctue de DVs à la fréquence f du signal.

    immunité au bruit/protection contre les parasites

    Notons que les sources de bruit sont :
  • bruit externe
  • réflexions sur les lignes de transmission
  • diaphonie (faible sur coaxial et fils torsadés, important sur les fils souples non torsadés)
  • ligne d'alimentation (courants transitoires liés à capacités parasites ou retours de masse incorrects)
    • On distingue l'immunité au bruit statique qui est la tension de bruit que l'on peut superposer au signal d'entrée sans modification du niveau logique de sortie

    l'immunité au bruit dynamique : un signal perturbateur devra avoir une certaine amplitude et durée pour être pris en compte.

    entrance/sortance

    L'entrance ou fan in est le nombre de charges que présente le circuit en entrée pour une sortie l'alimentant.

    La sortance ou fan out est ne nombre de charges qu'une sortie peut commander.

    On devra faire en sorte que le courant de sortie IOLmax soit supérieur à la somme des IILmax des entrées commandées,
    de même IOHmin > SIIHmin.

    Notons la charge de référence

    IIH 20µA
    IIL - 0.4mA

    Pour un circuit TTL la sortance est généralement de 20 au maximum ce qui correspond à :

    IOH - 400µA  
    IIH + 20µA la porte absorbe du courant
    IIL - 0.4mA la porte émet du courant
    IOL + 8mA  


    Rappelons que ces chiffres ne sont pas systématiques et qu'il convient de les vérifier auprès du constructeur, ainsi par exemple, chez Texas on note pour le circuit 7400 IO L= 16mA et IIL = -1.6mA ce qui signifie qu'on ne pourrait associer non 20, mais seulement 10 circuits de ce type.

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