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3-TTL
4-Difference CMOS/TTL
2-CMOS 1-Introduction
5-Conclusion
Plan
Dans le domaine de l’électronique il existe deux types de circuits intégrés : *les circuits intégrés analogiques ou linéaires telque les régulateurs de tension et les amplificateurs opérationnels. *les circuits intégrés logiques ou numériques qui travaillent généralement avec une tension d’entrée et de sortie égale à celle de l’alimentation . Deux types de ces circuits font objet de notre projet :TTL et CMOS.
Introduction:
Technologie CMOS
Introduction
Caractéristique
Exemple (CMOS 4017 : Compteur de décades)
Introduction
• La technologie CMOS est apparue dans les années
1980
• La technologie CMOS, ou Complementary Metal Oxide Semiconductor, est une technologie de fabrication de composants électroniques
• Application: fonction logique (NOR,NAND . . .), Microprocesseur,Microcontrôleur . . . .
CMOS = Complementary MOS = NMOS + PMOS
Une porte logique CMOS est constituée :
o d’un réseau de transistors PMOS
o d’un réseau de transistors NMOS
Exemple (CMOS 4017 : Compteur de décades)
• Liste des circuits intégrés de la série 4000 de technique CMOS : • 4000 : Deux portes logiques NON-OU à trois entrées et un inverseur • 4002 : Deux portes logiques NON-OU à quatre entrées • 4006 : Un registre à décalage 18 étages • 4008 : Additionneur complet de 4 bits • 4010 : Six portes logiques OUI à une entrée • 4011 : Quatre portes logiques NON-ET à deux entrées • 4013 : Deux bascules DRS • 4017 : Compteur de décades • 4027 : Deux bascules JKRS • 4030 : Quatre portes logiques OU_exclusif à deux entrées (ancienne version du circuit 4070) • 4040 : Compteur binaire à 12 étages • 4066 : Quatre interrupteurs analogiques (multiplexeur/démultiplexeur) • 4069 : Six portes logiques NON à une entrée (inverseur logique) • 4070 : Quatre portes logiques OU_exclusif à deux entrées • 4071 : Quatre portes logiques OU à deux entrées • 4072 : Deux portes logiques OU à quatre entrées • 4077 : Quatre portes logiques NON-OU_exclusif à deux entrées • 4093 : Quatre portes logiques NON-ET à deux entrées avec trigger de Schmitt • 4094 : Registre à décalage 8 étages Série-Parallèle - Sorties 3 états • 4511 : Décodeur décimal codé binaire en nombre affichable sur un afficheur LED 7 segments
Cmos 4017
• les différentes combinaisons sont obtenues à l'aide de circuits NOR
• 1°- Tensions d’alimentation: 3 V < VAL < 15V
• Applications: système alarme….
4017B: Compteur de décades
L'entrée (14) permet de déclencher le compteur sur un front
montant
(13) permet le déclenchement du compteur sur un front descendant
(15) permet la remise à 0 générale. Elle est active au niveau H (haut).
Les sorties (1) à (7) et (9)a(11) sont les sorties décodées.
La sortie 5 - 9 permet la mise en cascade des compteurs : il suffit de la relier à l'entrée CP0 du compteur suivant
C’est quoi TTL ? TTL est une famille de circuits logiques intégrés a base de transistors bipolaires. C’est l’une des premières familles qui sont sorties sur marché dans les années 70. C’est une famille vaste de composants électroniques numériques tel que les registres , les bascules les compteurs…
Introduction:
Quel sont les différents familles TTL et leur caractéristiques ? Au début la famille TTL avait beaucoup d’inconvénients surtout au niveau de rapidité et de puissance dissipée . Grâce à l’évolution on trouve maintenant plusieurs familles TTL chacune a ses propres caractéristiques. Les circuits TTL sont généralement préfixés par le chiffre 74 et pour représenter une famille on doit ajouter une ou deux lettres après ce chiffre.
Les familles TTL et leur Caractéristiques:
Familles TTL Caractéristiques
TTL normale(N) C’est la première famille introduite sur le marché , version standard
TTL Low power(L) La dissipation de puissance est très faible Famille a faible consommation
TTL High speed(H) Vitesse de commutation élevée
TTL Schottky(S)
Dissipation de puissance normale et temps de propagation court Famille rapide
TTL Low power Schottky(LS)
La dissipation de puissance est très faible et de plus le temps de propagation est court C’est une combinaison des familles TTL_L et TTL_S =>c’est la famille la plus répandue.
TTL Advanced Schottky(AS)
Dissipation de puissance normale et temps de propagation court Version améliorée de TTL_S
TTL Advanced low power Schottky(ALS)
Le temps de propagation est extrêment court Version améliorée de TTL_LS
Exemples de circuits intégrés de la série 7400 Schéma
Circuit 7400 Quatre portes NAND à deux entrées Consommation 40mW
Circuit 7402: Quatre portes NOR à 2 entrées Consommation 56mW
Circuit 7410: Trois portes NAND à 3 entrées Consommation 30mW
Circuit 7420: Deux portes NAND à 4 entrées Consommation 20mW
Exemple : Série 7400
Cette série de circuits a été utilisée dans la construction des mini ordinateurs et ordinateurs centraux des années 1960 /1970
*En TTL:
doit être impérativement.
continue et stable. Vcc = 5V +/- 5%
*En CMOS :
Le choix de la tension d'alimentation
est plus large de 3V à 18V. Mais les
performances dynamiques se
dégradent aux faibles niveaux
d'alimentation
1- Plage de tension d'alimentation
Comparaison de la technologie CMOS par rapport à celle TTL :
* En effet ,l'utilisation du circuit à une tension inférieure à 4,5 V n'est pas très significative à cause de l'allongement du temps de propagation (perte de vitesse), l'augmentation de l'impédance de sortie et la diminution de l'immunité au bruit. * Il n'est pas conseillé, non plus, d'alimenter le circuit avec une tension supérieure à 15 V à cause de l'importante puissance dynamique dissipée et le risque d'apparition, sur l'alimentation, de tensions transitoires dépassant la tension de claquage (> 20 V), provoquant un verrouillage dû au bruit et détruisant le boîtier sauf si le courant est limité extérieurement. * Une faible consommation de puissance statique doublée d'une large plage de tension d'alimentation font de la CMOS la famille logique idéale pour les systèmes alimentés par piles.
2-Temps de propagation
Définition: La définition la plus
simple d’un temps de propagation consiste à mesurer le temps écoulé entre un changement d’état de l’entrée d’une porte et le changement d’état de la sortie en prenant pour référence les instants de passage des différents signaux à mi-chemin de la tension d’alimentation VDD. Une porte CMOS à plusieurs entrées n’est pas caractérisée par un unique temps de propagation.
La famille CMOS , par rapport aux familles TTL et LS-TTL , est lente (en fait
tp = 1,5 ns pour un TTL type AS ) et très sensible aux variations de la capacité de la charge. Le temps de propagation dépend de trois paramètres : la capacité de la charge, la tension d'alimentation et la température. On se limitera à l'étude de l'influence de la température .
**Influence de la température :
*Le temps de propagation dépend de la température ambiante. L'influence de la température est plus simple avec la famille CMOS qu'avec la famille TTL .
*Avec la famille TTL ,il dépend de plusieurs paramètres tels que l' augmentation de la résistance avec la température et la diminution de la chute de tension directe de jonction avec l'augmentation de la température.
* Avec la famille CMOS, le temps de propagation de la CMOS augmente avec la température. En effet, la modification essentielle est la mobilité des
porteurs µ, ce qui augmente l'impédance et donc le temps de propagation
avec la température . Pour un boîtier de la série 4000B, l'influence de la température est inférieure à 0,3% par 1°C et pratiquement identique dans toute la plage de température d'utilisation. Notons que la plage de température commerciale est de –40 °C à +85°C alors que la plage usuelle est de 0°C à +75°C.
3- Assurance de binarité :
La tension présentée sur une entrée de porte logique ou le seuil d’entrée peut prendre une infinité de valeur entre deux extrêmes, par exemple entre 0 V et +5 V. Les seuils autour desquels le circuit logique considère qu'il a affaire à un état logique bas ou à un état logique haut dépendent du type de circuit logique. Ils diffèrent entre circuits TTL et CMOS, mais ils peuvent aussi différer dans une même famille, selon que les entrées sont standard ou à trigger de Schmitt.
•Circuits TTL : un état logique bas est garanti si la tension d'entrée n'excède
pas 0,8 V et un état logique haut est garanti si la tension d'entrée est d'au moins 2,0 V.
4- Temps de montée / Temps de descente :
Quand une fonction logique change l'état d'une sortie, le traitement de l’information n’est pas instantané. Il faut considérer un temps de montée tm (passage du 0L au 1L) ou un temps de descente td (passage du 1L au 0L). Tm et td dépendent du temps de propagation tp
•Circuits CMOS - à entrée standard et sortie bufférisée : seuil unique pour état haut et état bas, 50% tension alim. Un état logique bas est garanti si la tension d'entrée n'excède pas 1,5 V et un état logique haut est garanti si la tension d'entrée est d'au moins 3,5 V (alim 5 V).
- à entrée standard et sortie non bufférisée : seuil unique pour état haut et état bas, 50% tension alim. Un état logique bas est garanti si la tension d'entrée n'excède pas 1,0 V et un état logique haut est garanti si la tension d'entrée est d'au moins 4,0 V (toujours pour alim 5 V).
- à entrée trigger de Schmitt : tension de seuil typique de 2,9 V pour passage état bas vers état haut et tension de seuil typique de 2,2 V pour passage état haut vers état bas (encore pour alim 5 V). *D'un point de vue consommation de courant, le maximum atteint sur
une entrée CMOS correspond à une tension égale à VDD/2 (c-à -d 2,5 V si
l'alimentation est de 5 V).
5- Courants à l'entrée et à la sortie
*En TTL A l'état bas une entrée de fonction TTL a besoin d'un courant sortant
Iilmaxi = 1,6mA A l'état haut le courant d'entrée est I ih maxi = 40µA La sortie peut délivrer Ioh maxi = 400µA au 1L et absorber Iolmaxi =
16mA au 0L
*En CMOS Les courants d'entrée sont inférieurs à 1µA et les sorties peuvent
véhiculer plus de 1 mA.
6- Tension de sortie
Il l'est également de connaître les valeurs de tension de sortie de circuits qui y seront raccordés. Car c'est bien l'ensemble de ces informations qui permettra au final de conclure si oui ou non il y a compatibilité entre les diverses familles. Là encore les valeurs diffèrent entre les différentes familles de circuits logiques
•Circuits TTL : état bas = 0,4 V maxi et état haut = 2,4 V mini. •Circuits CMOS à sortie bufférisée : état bas = 0,05 V et état haut =
4,95 V, pour un courant de sortie inférieur à 1 uA !!! Remarque : la tension de sortie d'une porte chute d'autant plus que le courant
qu'elle draine ou absorbe est élevé, ce qui est d'autant plus vrai pour une porte de type CMOS que pour une porte TTL pour laquelle le courant "consommé" n'est pas toujours négligeable .
7- Immunité aux bruits
L’une des propriétés les moins comprises des circuits logiques est l'immunité au bruit.
Definition: L'immunité aux bruits correspond à l'amplitude de la tension
parasite qui peut exister entre la sortie d'une fonction logique et l'entrée d'une autre fonction logique qui sont reliées.
*Pour la famille TTL : On constate que l'immunité au bruit de celle-
ci n'est que de 1 V dans le cas d'une faible charge, ramenée à
0,4 V dans des cas pires. La tension de sortie et seuil d'entrée sont
symétriques par rapport à la tension d'alimentation, les immunités au bruit au niveau logique haut et au niveau logique bas sont pratiquement égales.
Pour la famille CMOS:Le seuil d'entrée est d'environ 50% de la tension d'alimentation et la courbe de transfert en tension est quasiment idéale. Par conséquent la famille CMOS peut être considérée comme ayant une très bonne tension d'immunité au bruit, typiquement 45% de la tension d'alimentation, c'est-à-
dire 2,25 V pour une alimentation de 5 V et 4,5 V pour une alimentation de
10 V !!! Par conséquent, des pulsations parasites de fréquence de 10 ns tendent à
disparaître dans une chaîne de portes CMOS mais sont amplifiées dans une chaîne de portes TTL. A cause de ces propriétés, la famille CMOS est très appréciée des fabricants d'équipements de commande industriels qui doit fonctionner très bien dans un environnement électromagnétiquement pollué.
Remarque: ces caractéristiques d'immunité au bruit spectaculaires ne tiennent pas
compte d'un fait important : l'impédance de sortie d'un circuit CMOS est de 10 à 100 fois plus élevée que celle d'un circuit TTL. Les interconnexions entre CMOS sont, par conséquent, moins raides et beaucoup plus sensibles au bruit par couplage . Dans le cas de courants provenant de tensions de bruit élevées et injectés dans de petites capacités de couplage, la famille CMOS tolère une marge de bruit environ six fois plus faible que la famille TTL. Il faut plus de 20 mA pour amener une sortie TTL dans la zone de déclenchement mais seulement 3 mA pour une sortie CMOS dans un système alimenté en 5 V.
8-Sortance
Définion: La sortance est une mesure de la capacité d'une porte
logique à servir de source à d'autre portes logiques (de même technologie).
Traditionnellement, on définit la sortance comme :
*Pour la famille TTL : Elle est de l’ordre de 10.
*Pour un CMOS : La sortance est théoriquement infinie car le
courant nécessaire à une entrée est quasi nul , mais en réalité elle est de
l’ordre de 50. En effet, la sortance est limitée non pas par les courants
d'entrée-sortie mais par les capacités parasites d'entrée ( à l’ordre de 5pF) qui réduisent les temps de commutation.
9-Puissance dissipée
La consommation des CMOS est quasi nulle aux
basses fréquences. Mais elle
atteint celle de la TTL autour
de 1MHz.
A 100 transitions par seconde, la puissance
dynamique consommée est, de loin, beaucoup plus grande que
la dissipation statique et à un million de transitions par seconde (f=1MHz), elle
dépasse celle de la TTL.ALS et celle de la TTLN.
10-Interfaçage CMOS \TTL
CMOS vers TTL: Toujours réalisable.
TTL vers CMOS: Il n’y a pas compatibilité sauf si la porte CMOS est du
type HCT (Compatible TTL)
La solution la plus simple pour remédier à ce problème
est de rajouter une résistance de rappel (ou tirage). On
peut aussi utiliser une porte TTL à sortie à collecteur
ouvert. La résistance de rappel se calculera dans la
même manière. Une autre solution consiste à
d’intercaler une porte HCT entre la TTL et la CMOS.
INTERFACAGE: 1ère méthode : 74HCT On intercale simplement une porte de la famille HCT :
2ème méthode :Sortie à collecteur ouvert La sortie à collecteur ouvert est représentée par le symbole :
L’étage de sortie correspond à
L’adaptation se fait grâce à une résistance de tirage Rp :
Une valeur trop grande de Rp diminuera la fréquence maximale d’utilisation et un valeur trop petite augmentera la puissance dissipée.
Vers
de
TTL TTL-LS CMOS
4000
CMOS
HCT
TTL Oui(1) Oui(2) Non(3) Oui()
TTL-LS Oui(4) Oui(1) Oui() Oui()
CMOS
4000
Non(5) Oui(6) Oui() Oui()
CMOS
HCT
Oui(7) Oui(8) Oui() Oui()
(1) Avec limites par la valeur de
sortance.
(2) Avec sortance équivalente de
IsmaxTTL / IeminLS = 16mA / 0.4mA =
40
(3) Incompatibilité entre les
tensions de sortie TTL et les
tensions d'entrée CMOS
(4) Avec sortance équivalente de
IsmaxLS / IeminTTL = 8mA / 1.6mA = 5
(5) Incompatibilité entre courant de
sortie CMOS et courant d'entrée
TTL. (6) Limitée à 2 entrées LS de
préférence.
(7) Avec sortance équivalente de
IsmaxHCT / IeminTTL = 4.8mA / 1.6mA
= 3
(8) Avec sortance équivalente de
IsmaxHCT / IeminLS = 4.8mA / 0.4 = 12
Enfin pour résumer
Conclusion:
La technologie CMOS , bien que plus coûteuse que celle TTL, elle offre de multiples avantages
et elle est plus fiable dans les secteurs électroniques avancés .
