En ce qui concerne la
TTL,
la figure 28 explique clairement ce qui se passe au niveau des tensions et va
vous permettre d'introduire de nouveaux paramètres.
Immunité au
bruit.
Une norme a été établie (pour
chaque technologie), elle définit les niveaux de tension, pour l'entrée et la
sortie des opérateurs, qui symbolisent les deux états logiques, ceci dans le
pire des cas (tolérance limite de fabrication, température ambiante et charge
maximum).
Quand on connecte deux opérateurs,
la sortie de l'un sur l'entrée de l'autre, il est nécessaire de connaître la
marge qui subsiste pour chacun de ces états afin d'évaluer le risque d'un
fonctionnement intempestif dû à des causes extérieures (parasites
industriels, potentiel de masse fluctuant, ...) et prendre les mesures qui
s'imposent dès le départ pour éviter tout échec.
Ceci se concrétise é l'état
0,
ou niveau bas de tension, par l'écart entre la tension maximum que peut
prendre la sortie de l'opérateur précédent, pour cet état, et le niveau
maximum que l'entrée de l'opérateur suivant considèrera encore comme un
niveau bas.
Au delà, il l'interprètera comme
un changement d'état et son niveau de sortie sera modifié en conséquence.
A l'état 1,
ou niveau haut de tension, ceci se concrétise par l'écart entre la tension
minimum que peut prendre la sortie de l'opérateur précédent et le niveau
minimum que l'entrée du suivant interprètera encore comme un niveau haut.
En deçà, il considèrera qu'il
s'agit d'un changement d'état et son niveau de sortie sera modifié en conséquence.
Ces écarts de tension
caractérisent les marges de bruit, à l'état bas et à l'état haut. Elles
déterminent ce que l'on nomme :l'immunité au
bruit (on appelle "bruit", dans ce cas, tout signal parasite
étranger au signal utile).
La tension de sortie à l'état bas
VOL
est de 0,4 V.
La tension d'entrée
VIL
considérée comme un état bas est de 0,8
V.
L'écart entre ces deux tensions
nous donne la zone repérée par
qui est la marge de bruit à l'état bas.
La tension de sortie mini à
l'état haut VOHest de 2,4
V.
La tension d'entrée considérée
comme un état haut est de 2
V.
L'écart entre ces deux tensions
nous donne la zone repérée par
qui est la marge de bruit à l'état haut.
La zone
représente la zone d'amplification, en logique, c'est une région qu'il faut
éviter.
L'immunité au bruit ou marge de
bruit est très faible en TTL
(0,4
V en théorie). En pratique, on considère cette marge comme étant
de 1 V en partant du principe qu'il y a peu
de risque qu'un circuit ayant une sortie aux valeurs limites soit connecté à
d'autres dont les caractéristiques d'entrée auraient aussi des valeurs
limites.
Cette immunité au bruit est
importante dans le choix d'une technologie en vue d'une réalisation. Nous
verrons dans un tableau récapitulatif que d'autres technologies peuvent avoir
une meilleure immunité aux bruits (ou signaux parasites perturbateurs).
Un autre paramètre important, dans
l'assemblage d'opérateurs est la sortance
(ou fan-out = éventail de sortie) ou
facteur pyramidal.
Il s'agit du nombre de circuits que
l'on peut brancher en sortie sans altérer, de façon sensible, les paramètres
du circuit.
La sortie avec montage totem-pôle
est réalisée dans ce but.
Le courant d'entrée normalisé à
l'état haut, IIH
est de + 40 µA.
Le courant de sortie à l'état
haut, IOH
est de - 400
µA.
Ceci permet d'envisager, à l'état
haut, le branchement de dix circuits sur la sortie.
Le courant d'entrée normalisé à
l'état bas IIL
est de - 1,6 mA.
Le courant de sortie à l'état bas
pouvant être absorbé, est de + 16
mA.
On pourra donc brancher, dans ce
cas, dix circuits sur la sortie.
Dans les deux cas, le branchement
de dix opérateurs sur la sortie d'un seul est envisageable.
On dit que la sortance
est de 10. Au delà, on dégrade, de façon sensible, les signaux et
il y a risque de détérioration pour le circuit de sortie.
Un autre paramètre,
l'entrance
(ou fan-in = éventail d'entrée) ou facteur pyramidal d'entrée, un peu
différent du précédent en ce sens qu'il indique le nombre de circuits
pouvant attaquer le module en question.
Autrement dit, il s'agit du nombre
d'entrées que possède un opérateur.
Certains circuits ont une entrée
d'expansion permettant d'accroître leur entrance.
Vous avez pu constater que le
courant d'entrée à l'état haut était précédé d'un signe +,
alors que le courant d'entrée à l'état bas était précédé de signe
-, nous y avons déjà fait allusion.
Il a été décidé, par
convention, que les courants entrant dans le module seraient positifs (donc
précédés d'un signe +) alors que ceux
qui en sortent seraient négatifs (précédés du signe -)
que ce soit en entrée ou en sortie.
Il faut maintenant aborder le
problème des temps de réactions et de transit de ces montages.
Revenons au circuit
NAND.
Plaçons une de ses entrées au niveau haut et voyons ce qu'il advient en
sortie, quand sa seconde entrée passe d'un état à l'autre.
Pour plus de facilité,
reportez-vous à la figure 29-a.
En partant d'un état stable en
sortie (ici un état haut) et après l'apparition du niveau haut à l'entrée Ve,
nous constatons un temps de retard td (delay-time)
avant que le signal de sortie ne réagisse. Ce retard correspond au temps de
modification des charges au niveau des jonctions.
Ensuite, le signal en sortie
évolue de façon exponentielle pendant le temps
tf qui
correspond au temps de descente (fall-time).
Cette évolution est caractéristique d'un circuit RC
qui se décharge (résistance du matériau semi-conducteur et capacités
parasites). Cette zone correspond au passage sur la droite de charge d'un point
de repos à l'autre. C'est la zone d'amplification et d'instabilité.
Suit un palier qui correspond au
second état stable. Tant que l'entrée Ve
ne subit pas de modification, la sortie conserve cet état.
Après suppression du signal
d'entrée, on constate un temps de retard ts
(storage-time) dû au temps de modification
des charges au niveau de la jonction.
Enfin, la remontée vers l'état
haut de départ tr (rise-time)
qui s'effectue selon une variation exponentielle correspondant à la charge du
circuit RC précédemment cité.
Les zones tr
et tf
correspondent au déplacement sur la
droite de charge du point de fonctionnement de
A
vers B ou l'inverse (c'est-à-dire du
blocage à la saturation ou vice-versa).
Nous avons vu que la vitesse de
transit d'un point à l'autre était limitée par les capacités des jonctions
(plus les capacités parasites), ce qui apparaît clairement sur les figures
29-a et 29-b. Ces temps (tf
et tr)
sont mesurés entre 10 % et 90
% de la valeur du signal.
La figure 29-b représente le
signal de sortie pour un circuit ET.
Par simplification, les
constructeurs indiquent :
le
temps de propagation à la décroissance du signal de sortie :
tpHL.
le
temps de propagation à la croissance du signal de sortie :
tpLH
La figure 30 illustre ces temps qui
sont mesurés à partir d'une variation égale à 50 %
du signal d'entrée ou de sortie et avec une charge en sortie qui est définie
(en principe pour la TTL, est constituée
d'une capacité de 15 pF en parallèle avec
une résistance de 100
à 400
W.
Pour le circuit NAND
pris en exemple, nous trouverions :
tpHL
compris entre 7 et
15
ns (ns = 10-9
seconde).
tpLH
compris entre 11 et
22 ns.
Ceci pour une charge en sortie de
15
pF et
400 W.
Enfin, la puissance maxi consommée
par l'ensemble du boîtier, qui peut contenir plusieurs opérateurs, est
indiquée sur les notices. Cette donnée n'est pas à négliger, car elle
permet de déterminer la puissance de l'alimentation.
Il faut garder à l'esprit que le
bon fonctionnement des ensembles électroniques est étroitement lié aux
qualités de leurs alimentations. En ce qui concerne les circuits logiques,
celles-ci devront pouvoir supporter des variations importantes de courant en
des temps très brefs (changement d'état des montages totem-pôle). Des
découplages, près de boîtiers, devront être mis en place.
Il est intéressant, dans les
montages, de minimiser le nombre de modules, soit pour des raisons de coût,
soit pour des raisons de fonctionnement (afin d'équilibrer des temps de transfert entre deux cheminements).
Pour cela, on a quelquefois recours
aux fonctions logiques câblées.
Par exemple, si l'on réunit la
sortie de deux opérateurs, par câblage, on obtient la fonction :OU
câblée.
Avec le montage totem-pôle, cette
réunion n'est pas possible.
La figure 31 illustre pourquoi
cette façon de procéder n'est pas possible (court-circuit de l'alimentation).
Les constructeurs réalisent des
opérateurs conçus à cette fin et qui prennent l'appellation d'opérateurs à
collecteurs ouverts.
Ceux-ci permettent la fonction
OU câblée. La figure 32-a représente un circuit
NAND
à collecteur ouvert (open-collector).
La figure 32-b illustre la façon
de procéder et la figure 32-c schématise le fonctionnement en substituant les
transistors de sortie par des interrupteurs (S1
et S2).
La résistance commune aux
collecteurs des transistors de sortie doit être placée extérieurement.
Dans ce cas, il n'y a plus de
court-circuit sur l'alimentation, quelle que soit la position de S1
ou S2.
Leur branchement en parallèle
montre bien qu'il s'agit de la fonction OU.
En technologie TTL,
il faut bien se souvenir que cette fonction n'est possible que lorsque les
opérateurs sont à sortie : collecteur ouvert
(et en câblant extérieurement la résistance commune de collecteur R).
Il est quelquefois nécessaire de
commander plus de dix opérateurs avec une sortie.
Dans ce cas, on a recours à des
opérateurs dont la sortie peut injecter ou absorber plus de courant. On dit
que ces opérateurs sont à sortie
bufférisée.
Certains ne remplissent que cette fonction, dans ce cas, ils s'appellent desbuffers.
Cette sortie peut être à montage
totem-pôle avec une résistance série de 30 W
au lieu de
130 W
et les transistors de sortie sont
susceptibles de supporter un courant plus élevé. Leur polarisation est un peu
différente et la diode est supprimée.
Elle peut aussi être à collecteur
ouvert avec un transistor de sortie plus puissant (courant collecteur plus
puissant et VCE
plus élevé).
Les figures 33-a et 33-b
représentent ces deux montages.
Il existe plusieurs variantes de la
TTL.
Elles ont pour but, soit une diminution de la consommation (TTL
- L, L = Low-power) mais au détriment de la vitesse de
fonctionnement (3 MHz seulement), soit une
augmentation de cette vitesse (120 MHz)
ainsi que de la consommation (TTL - S, S = Schottky).
Une autre variante de la
TTL
est la technologie TTL - LS
(Low
power Schottky). Celle-ci a la même vitesse de fonctionnement que la
TTL
classique (environ
45 MHz) mais une consommation
5 fois moindre.
Elle est en train de supplanter la TTL.
Il faut signaler, en outre, la
TTL
tri-state (3 états). En plus des
deux états logiques, un troisième intervient pour déconnecter l'opérateur du
reste du montage en mettant les deux transistors de sortie du totem-pôle à l'état
bloqué (état OFF) ou haute impédance.
Cette façon de procéder est née
à la suite de la technique des bus de transmission de données.
Un grand nombre d'opérateurs branchés
sur ces lignes, conduisait à l'utilisation du OU câblé,
donc d'opérateurs à collecteurs ouverts.
Ce dernier étant nettement moins
rapide que le montage totem-pôle, on eut l'idée de conserver ce dernier mais
en déconnectant de la ligne, tous les opérateurs non concernés par les
signaux transmis, à l'aide d'un signal appliqué sur une entrée spéciale et
qui bloque les deux transistors de sortie de chacun de ces opérateurs.
Avec la réalisation des fonctions
logiques en technologie TTL, s'achève cette
dernière TECHNOLOGIE 2.
Le suivant traitera de ces fonctions
mais en technologie MOS.
Nous parlerons également des différentes
autres technologies ainsi que des processus de fabrication de ces circuits.
Ces rubriques ne
sont peut-être pas parmi les plus attrayantes mais nous insistons sur le fait
que la technologie revêt, pour l'électronicien, une grande importance, tant
sur le plan du choix du matériel que pour la compréhension des phénomènes transitoires.
La fonction OU Câblée
qui est la marge de bruit à l'état bas.
qui est la marge de bruit à l'état haut.
représente la zone d'amplification, en logique, c'est une région qu'il faut
éviter.
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