Cours Electronique

Électronique des Ordinateurs

Pr. Azzouz Loukdache

Royaume du MarocMinistère de l’Éducation Nationale de l’Enseignement Supérieur,De la Formation des Cades et de la Recherche Scientifique

UNIVERSITE: Mohammed V AgdalETABLISSEMENT : Faculté des Sciences Rabat

LICENCE PROFESSIONNELLE

ADMINISTRATION DE SYSTEMES INFORMATIQUES

Année: 2012-2013

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Éléments de contenu

I. Circuits et réseaux électriques monophasés et triphasésII. Sécurité et installations électriquesIII. Les alimentations électriques stabiliséesIV. Techniques de conversion électronique de données(CAN et CNA)

V. Techniques numériquesVI. Systèmes à microprocesseurs et à microcontrôleurs

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I- Circuits et réseaux électriques monophasés ettriphasés

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I- Circuits et réseaux électriques monophasés et triphasés

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II. Sécurité et installations électriques

STRUCTURE D’UNE INSTALLATION ELECTRIQUE

1. DEFINITIONUne installation électrique est constituée par l’ensemble des circuits, qui sontassociés en vue de l’utilisation de l’énergie électrique. Elle doit posséder desdispositifs de coupure et protéger contre plusieurs risques.2. REGLEMENTATIONBien que très utile, l’électricité n’en reste pas moins dangereuse. C’est pour cela queles installations électriques font l’objet d’une réglementation stricte.Il existe plusieurs organismes chargés de les établir.En France, l’AFNOR (Association Française de NORmalisation) publie toutes lesnormes françaises.Pour l’électricité, c’est l’UTE (Union Technique de l’Electricité) qui propose lesnormes à l’AFNOR.En Europe : le CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique)a pour rôle d’harmoniser les normes anglaises, allemandes et françaises.Dans le monde : le CEI (Commission Electrotechnique Internationale).Le document le plus important qui régit les installations est la norme NF-C 15-100établi par l’UTE.

21

Cette norme réunit tous les textes officiels concernant les installations électriquesBasse Tension.Cette norme définit les règles d’installation et donne l’assurance que toutes lesinstallations électriques assurent la protection

Norme

Française

Électricité

Basse tension

Numéro de la norme



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3. RISQUES COUVERTS :Selon la NF C 15-100, une installation électrique doit assurer la protection des bienscontre les risques suivants :- R ISQUES D ’ELECTROCUTION :Toutes les parties sous tension doivent être isolées et les masses métalliques reliéesà la terre.- R ISQUES D ’INCENDIELe passage du courant ne doit pas produire un échauffement tel qu’il y ait risque debrûlure ou d’incendie.- R ISQUES D ’ECHAUFFEMENT :Ils peuvent détériorer le matériel par surcharge ou court-circuit.- R ISQUES D E SURTENSION :La foudre par exempleL ES AUTRES RISQUES :Par des dispositifs de sectionnement ou d’arrêt d’urgence qui permettent de pouvoirprocéder à la mise hors tension d’un circuit lorsque survient un défaut.



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Électrisation : Contact direct Électrisation : Contact direct Électrisation : Contact indirect

Risques d’incendie Risques de surtension



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4. CARACTERISTIQUES DE L’ALIMENTATION :L’alimentation est caractérisée par la nature du courant, le type de réseau, satension et par la puissance installée.

4a. Nature du courant :Le courant peut être de deux types :- courant continu : symbole ---courant alternatif : symbole ~

4b. Type de réseaux :Exemple : 220 / 380 VUn réseau électrique est caractérisé par son nombre de conducteurs actifs :- Monophasé : 2 ( Phase + Neutre )- Triphasé : 3 ou 4 ( 3 Phases avec ou sans neutre )Un conducteur actif est celui qui est parcouru par un courant et soumis à unetension.Exemple : ( Phase ou neutre ) => Conducteurs actifs( PE ou Terre ) => Conducteur non actif


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4c. Tensions :Le réseau 220 / 380 V (230 / 400 V) permet trois modes de raccordement :* Monophasé* Triphasé sans neutre* Triphasé avec neutreLa tension disponible entre le neutre et la phase est de 230 V en monophasé.La tension disponible entre deux phases en triphasé est de 400 V.4d. Utilisations :Une tension composée se mesure entre deux phases et s’appelle U.Une tension simple se mesure entre une phase et le neutre et s’appelle V.


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27


6 / DIVISION DE L’INSTALLATIONLa division d’une installation permet de limiter les conséquences d’un défaut en necoupant que le circuit concerné. Elle facilite aussi la recherche de défauts.Les règles de division seront abordées en détail lors de la leçon sur la NF C 15-100.Exemple d’installation électrique domestique :


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29

Dispositifs différentiels: Principe de fonctionnement

En l'absence de défaut, Ip = In, le flux résultant, qui traverse la bobine de détection estnul.

Lorsqu'un courant de défaut idapparaît (id = Ip - In), le fluxrésultant produit un courant i2qui permet d'actionner ledéclencheur provoquant ainsil'ouverture du circuit.


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quenceé. Ceci vient du fait que la frmA10partir deàlectrique est dangereuxéLe courantner laîentrae (50Hz) provoque des excitations musculaires violentes pouvantéutilis

.tanisationét

II. Sécurité et installations électriquesHabilitation électrique

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SEUILS DE COURANT DANGEREUX


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33

Contact direct (contact avec un conducteur actif)


34Contact indirect (contact avec une masse à un potentiel)


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àd'une personneé, de la capacitemployeurL'habilitation est la reconnaissance, par son

es.éles tâches fixécuritésaccomplir en

e de lettres et de chiffres.écomporte une codification symbolique formtitre d'habilitationLe

(HT).H),TBT(BT etB:domaine de tensionre lettre indique leèLa premi

Le chiffre indique la qualité de la personne : 0 (non électricien), 1 (exécutant électricien), 2

(chargé de travaux électriques).

(travail auVes:éalisérations pouvant être récise la nature des opéme lettre prèLa deuxi

),consignationdeé(chargC(travail sous tension),T(nettoyage sous tension),N),voisinage

en BT).interventionsd'é(chargR


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Habilitations du domaine BT

B0 - B0V (Exécutant non électricien)

Une personne habilitée B0 peut accéder (en étant désignée et non de sa propre

initiative), sans surveillance, aux locaux d'accès réservés aux électriciens et

effectuer et diriger des travaux d'ordre non électrique. Elle peut effectuer des

manoeuvres permises. Elle peut remplacer un fusible, à condition qu'il n'y ait

pas de risque de contact direct ou de projections de particules. Une personne

habilitée B0V peut effectuer les mêmes tâches au voisinage de pièces nues sous

tension.


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B1 - B1V (Exécutant électricien)

Une personne habilitée B1 est un exécutant électricien qui agit toujours sur

instructions verbales ou écrites et veille à sa propre sécurité. Elle peut

effectuer des travaux et des manoeuvres hors voisinage de pièce nues sous

tension. Elle peut effectuer des manoeuvres de consignations commandées par un

chargé de consignation. Elle peut effectuer, sur instruction, des mesures

d'intensité à la pince ampère métrique. Cette habilitation entraîne celle d'indice 0.

Une personne habilitée B1V peut effectuer les mêmes tâches au voisinage de

pièces nues sous tension.


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B2 - B2V (Chargé de travaux)Une personne habilitée B2 assure la direction effective des travaux et prendsles mesures nécessaires pour assurer sa propre sécurité et celle dupersonnel placé sous ses ordres. Elle doit veiller à l'application de ces mesures.Elle peut recevoir une attestation de consignation et la signer. Cette habilitationentraîne celles d'indice 0 et d'indice 1. Une personne habilitée B2V peut effectuerles mêmes tâches au voisinage de pièces nues sous tension.

BC (Chargé de consignation)Une personne habilitée BC effectue ou fait effectuer la consignation électrique etprend les mesures de sécurité correspondante. Elle doit avoir l'accord du chargéd'exploitation ou du chef d'établissement. Elle exécute soit les quatre étapes dela consignation, soit seulement les deux premières. Cette seule habilitation nepermet pas d'exercer les fonctions de surveillant de sécurité électrique.


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BR (Chargé d'intervention)

Une personne habilitée BR assure des interventions (dépannage, connexion avec

présence de tension, essais et mesurages). Elle peut travailler seule ou avoir des

électriciens sous ses ordres. Elle peut consigner une partie d'installation pour sonpropre compte ou pour un tiers sous ses ordres. Elle peut recevoir une

attestation de consignation et la signer. Cette habilitation entraîne celle d'indice 0

et d'indice 1.


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Un surveillant de sécurité électrique doit avoir une connaissance approfondie en

matière de sécurité électrique. Il possède une habilitation d'indice 0, 1 ou 2 ou une

habilitation BR.

La personne habilitée est responsable du port de ses équipements de protection individuelle

(EPI).

L'habilitation de type T (travail sous tension) doit être révisée chaque année par l'employeur

à l'issue d'une visite médicale.


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Titre d'habilitation

Un titre d'habilitation doit comporter :

les renseignements d'identité de l'employeur et sa signature,les renseignements d'identité du titulaire et sa signature,l'indication de la date de délivrance de l'habilitation,la durée de validité de l'habilitation.


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III. Les alimentations électriques stabilisées1- Présentation - définition

La grande majorité des équipements électroniques a besoin d’une source de courant continuqui peut être une pile ou une batterie, mais qui généralement est constituée d’un circuittransformant le courant alternatif du secteur (220V, 50Hz) en courant continu : l’alimentationstabilisée.

Le rôle d’une alimentation continue est de fournir les tensions et courants nécessaires aufonctionnement des circuits électroniques avec le minimum d’ondulation résiduelle et lameilleure régulation possible. Elles doivent, de plus, souvent limiter le courant fourni en cas desurcharge ainsi que la tension continue qu’elle délivre, ceci afin de protéger les composantsfragiles.

Il existe des moyens divers pour produire une tension continue stable à partir d’une tensionalternative ; deux méthodes seulement sont fréquemment employées :

- la stabilisation linéaire,- la stabilisation par découpage.

Toutes deux ont leurs avantages et leurs inconvénients. L’alimentation à découpage s’utiliseessentiellement dans le domaine des puissances de 100W et plus.

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III. Les alimentations électriques stabilisées

A- Alimentations linéaires

1- Présentation - définition

L’alimentation stabilisée, constitution et fonctionnementLe bloc diagramme d’une alimentation apparaît ci-dessous :

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III. Les alimentations électriques stabilisées2. Le transformateur

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Plus de 90% des alimentations en électronique utilisent des transformateurs.La formule de Boucherot, en physique, nous donne la valeur de la tension d'un enroulement

U = 4,44 .Bm. N . S . f U tension efficaceavec :

f : fréquence du réseau.S : section du circuit magnétique du transformateur.N : nombre de spires de l'enroulement considéré.Bm: valeur maxi de l'induction, mais comme f, S et sont constantes pour un

même transformateur, on aura alors :Ul = K . N1 et U2=K . N2

avec K = 4,44 . Bm. S . fOn en déduit que le nombre de spires sera proportionnel à la tension. C'est pourquoi dans un

transformateur abaisseur, le primaire comporte plus de spires que le secondaire.

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Remarque : Masse du transformateur

S est la section du circuit magnétique du transformateur.On imagine que plus la section est grande plus le poids est important. Donc à tensions égales sinous souhaitons alléger le transformateur, il faut diminuer la section en compenser par uneaugmentation de la fréquence, pour une même induction donc des tôles identiques. C’estpourquoi le transport aérien utilise une fréquence de 400hertzs et des transformateurs pluslégers de 8 fois.

La fréquence de fonctionnement doit être limitée car plus elle est importante plus les pertes sontimportantes (fer et Foucault).On peut repousser les limites de la fréquence mais cela suppose que le circuit magnétique soitconstitué de ferrite.

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III. Les alimentations électriques stabilisées3. Le redressement

Simple alternanceDouble alternance àpont de Graêtz

Double alternanceavec transfo. À pt mil

Double enroulementet pont (Alim sym)

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III. Les alimentations électriques stabilisées4. Le filtrage

Nous avons obtenu à partir d’une source alternative et d’un système redresseur une tensionredressée. Celle-ci n’est pas encore continue.

Pour obtenir une tension (quasi) continue, il suffit de mettre un condensateur en parallèleavec la charge.

Le condensateur est constitué de deux surfaces conductrices rapprochées mais séparées parun isolant. Lorsqu’on soumet ce composant à une tension différentielle, des charges de signesdifférents vont s’accumuler sur les deux surfaces sans échange possible.

Son rôle dans l’alimentation est de stocker de l’énergie tant que la tension de la source estsupérieure à celle du condensateur puis de la restituer en essayant de maintenir la tension dela charge quand la tension de source est inférieure.

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III. Les alimentations électriques stabilisées4. Le filtrage

Exemple redressement simple alternance.

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III. Les alimentations électriques stabilisées5. Le Régulateur de tension

Généralement présenter en boîtier TO3, ces composants à 3 pattes sont capable de régulerune tension avec une variation maximum de +/- 5% avec un courant maximum de 1 A. Leurconception permet également quelques avantages :

- Limitation interne du courant de sortie, évitant la destruction par court-circuit.- Limitation en fonction de la température du circuit en cas par exemple de mauvaisrefroidissement.- Facilité d'emploi simplifiée à l'extrême.

Les brochages sont donnés ci-dessous :

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III. Les alimentations électriques stabilisées6. Exemple d’une alimentation +/ - 12V , 500mA

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III. Les alimentations électriques stabilisées7. Points forts et points faibles des alimentations linéaires

· Points forts :- faciles à mettre en œuvre- permettent d’obtenir des tensions très stables. Une stabilité relativeDVs / Vs égale à 10-4 s’obtient sans trop de contraintes techniques.

· Points faibles :- Le transformateur est lourd et volumineux car il fonctionne à 50Hz.- Le transistor « ballast » dissipe une puissance P VCE IC = (VE–VS).Is .- Il impose l’utilisation d’un radiateur encombrant et nuit au- rendement de l’alimentation.

· Conclusion

Les alimentations linéaires sont simples et stables mais lourdes, volumineuses (puissancesmassique (W/kg) et volumique (W/litre) faibles) et à faible rendement.

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B- Alimentations à découpage

1. Intérêt des alimentations à découpage

Rappel des Alimentations linéaires issues du secteurLe synoptique de la partie puissance des alimentations linéaires est indiqué sur la figure suivante.

Le principe de base du montagerégulateur « ballast » avec transistorsérie est décrit sur la figure suivante.

Ic(VCE) est linéaire

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B- Alimentations à découpage

2. Alimentations à découpage issues du secteur

Elles sont appelées ainsi du fait du fonctionnement du transistor de puissance en régime decommutation.

Principe de fonctionnementLe synoptique de la partie puissance est donné ci-après. Les éléments fondamentaux:

· Redresseur + Filtredirectement connectés auréseau (secteur).· Transformateur d’impulsion(isolation galvanique entre leréseau et l’utilisateur), piloté auprimaire par un interrupteurcommandable (transistor)fonctionnant à une fréquencesup à 20 Khz· Redresseur + Filtre en sortie.

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B- Alimentations à découpage3. Famille des alimentations à découpage issues du secteur.

Choix du principe

Dans toutes les configurations, le secteur est directement redressé et filtré. L’isolation galvaniqueest ainsi assurée après filtrage par le transistor fonctionnant en régime impulsionnel, à unefréquence de découpageFd 20 kHz.

3.1 Alimentation Flyback : transfert indirect

C’est une alimentation indirecte. Dans un premier temps, le primaire du transformateuremmagasine de l’énergie sous forme magnétique, puis dans un second temps cette énergie esttransmise à la charge par l’enroulement secondaire (phase de démagnétisation).

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Choix du principe

Le schéma de principe de l’alimentation Flyback est décrit comme suit:

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Choix du principe

3.2 Alimentation Forward : transfert directC’est également une alimentation asymétrique du fait que l’induction B dans le CM est toujours demême signe. Le schéma de principe de l’alimentation Forward est décrit ci-après:

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Choix du principe

3.3 Alimentation Push-Pull

Ce type d’alimentation permet de transférer des puissances importantes avec un excellentrendement du fait de son cycle magnétique symétrique (l’induction B dans le CM est tantôt positive,tantôt négative). La famille des alimentations Push-Pull est divisée en trois :· Push-Pull à double primaire avec point milieu.· Push-Pull à demi-pont (deux sources de tension continue nécessaires).· Push-Pull à pont complet.La figure suivante décrit le principe de l’alimentation Push-Pull à demi-pont.

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Choix du principe

3.3 Alimentation Push-PullLa figure suivante décrit le principe de l’alimentation Push-Pull à demi-pont.

60



Choix du principe

3.4 Choix du principe

En pratique, le choix du principe sera fixé par la puissance de sortie de l’alimentation :· Flyback : PS <100 W· Forward : 100 W < PS < qq 100 W· Push-Pull : PS > 100 qq W

Remarque : Du fait de la mise en oeuvre difficile des interrupteurs dans les structures Push-Pull(commutation de deux ou quatre interrupteurs rapides de forte puissance), les alimentations deforte puissance (>100 qq W) sont parfois réalisées avec des structures asymétriques (Forward ouFlyback) associées en parallèle.

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IV. Techniques de conversion électronique dedonnées

1- Présentation

Tous systèmes électriques pour fonctionner convenablement à besoin de connaître sonenvironnement. Un groupe motovariateur installé sur un site doit, par exemple, garantir unevitesse constante. Il faut dans ce cas connaître en permanence cette donnée. Les capteursassociés à ce type de mesure peuvent être analogiques ou numériques, et le variateur peutavoir une de ces deux technologies. On utilise dans ce cas des convertisseursANALOGIQUES/NUMERIQUES ou NUMERIQUES/ ANALOGIQUES

Mais il existe d’autre type de convertisseurs :Ils sont tous basés sur le principe de la conversion d’une grandeur physique (vitesse, vent,fréquence, couple, pression) en une grandeur électrique (tension, courant)

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1- Présentation

Rappels :

Signal analogique :On dit d’un signal qu’il est analogique si l’amplitude de la porteuse peut prendreune infinité de valeurs dans un intervalle donnée. C’est une fonction continue du temps. Lagrandeur analogique est représentative d’une tension ou d’un courant.

Signal numérique :Un signal est dit numérique si l’amplitude donnée à un instant est représentée par un nombrebinaire.

Signal binaire :Un signal est dit binaire si l’amplitude de la porteuse ne peut prendre que deux valeurs

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2- Les convertisseurs NA/AN

Avec l’apparition des systèmes numériques dans le traitement des informations sont nés cesconvertisseurs qui permettent la communication entre un système analogique (moteur) et lecalculateur qui le pilote.

Les convertisseurs N/ADéfinition

Un convertisseur N/A est un circuit hybride qui, à un mot d’entrée de n bits (a0, a1, a2,... an)associe un signal analogique.

n

VrefanVrefaVrefaVrefaVout2

...8

24

12

0

Où Vout représente la valeur de sortie et Vref la valeur de référence donc l’échelle de lagrandeur de sortie.

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Remarques :

- Quantum : Noté q, il correspond à la quantité élémentaire de variation du signal desortie. On l’appelle aussi pas de progression ou incrément.

- Pleine échelle : C’est la valeur max que prend le convertisseur pour le mot max, on lenote PE

- Résolution : Elle est donnée par le nombre de bits n du convertisseur, c’est le rapportr=q/PE en %

- Code de conversion : La conversion se fait suivant deux codes, unipolaire ou bipolaire* Code unipolaire : L’écriture du mot N est le binaire naturel, le convertisseur àune grandeur de sortie toujours de même signe (positive ounégative)* Code bipolaire : L’écriture du mot N est le binaire décalé ou signé(binaire

avec signe ou complément à 2). Il permet d’obtenir desvaleurs de sortie positives ou négatives.

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Exemple de structure de CNALa structure interne de ces CNA est basée sur l’utilisation de AOP montés en sommateur.(d’autres montages sont possibles)

a- Soit le convertisseur suivant :

D est le bit de poids fort.

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b- Utilisation d’un réseau R-2R en échelle :

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Convertisseurs AN:DéfinitionUn convertisseur analogique numérique est un circuit hybride qui transformeune grandeur analogique d’entrée E (souvent une tension) en une valeur numérique Nexprimé sur n bits. N représente le mot binaire délivré en sortie du convertisseur qui estl’image de la grandeur d’entrée E. La conversion A/N est généralement plus difficileque la conversion N/A. On y fait appel à un CNA, des portes logiques, une horloge,des compteurs ou des registres.QuantificationCette opération consiste à discrétiser la grandeur électrique d’entrée, c’est à direque le signal analogique sera réduit en un nombre fini de valeurs par une opération deprélèvement appelée échantillonnage. Les valeurs d’entrées issues de cetéchantillonnage sont quantifiées. On obtient alors des grandeurs multiples d’unequantité élémentaire q appelé quantum.CodageA chaque valeur (issue de la quantification) de la grandeur d’entrée, cetteopération associe un mot binaire de sortie. Avec un codage sur n bits on obtient alors2n valeurs possibles en sortie.

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2- Les convertisseurs NA/ANStructure d’un CAN:

Une impulsion sur l'entrée "commande début" démarre le cycle, à la cadence déterminéepar l'horloge l'unité de commande modifie sans arrêt le contenu du registre (c'est un compteur).Le signal numérique est convertit en tension analogique Va' par le convertisseur NA, lecomparateur compare cette tension à la tension de mesure tant que Va >Va' la sortie ducomparateur reste à 1. Dès que Va<Va' le comparateur change d'état et bloque l'unité decommande. Il ne reste plus qu'à lire numériquement la valeur de la tension Va.

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V. Techniques numériques (Électronique numérique)

1- Présentation

Dans les systèmes modernes, l’utilisation de données numériques est de plus enplus prépondérant. Les données numériques sont traitées par de comparateurs,mémorisées, multiplexées et démultiplexées, décodées ou encore associées à desopérateurs arithmétiques, à des compteurs.On se propose ici d’aborder ces différents modes de traitement des signauxnumériques.

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PlanFamilles logiques

Famille DTL ( strictement historique )Famille TTL ( plusieurs variantes )Famille MOSFamille CMOS

Logique complexeMémoire vive RAMMémoire morte ROM, PROM, EPROM, EEPROM et FLASHLogique programmable

PLD (Programmable Logic Device) : PLA et PAL

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Familles logiques

États binaires: V+, V-, VOH, VOL et Vref dépendent de la famille utilisée.

vO

VOH

V+

vI

V refV+V-

V-

VOL

vO

V+

V-

vI

(b)

(a)

Famille TTLV+ = 5.0V ± 5% , V- = 0V

Famille CMOSV+ = 2V-18V, V- = 0V

Caractéristique de transfert Sortie-Entrée ouVTC ( Voltage Transfer Characteristic ) pourun inverseur idéal

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Familles logiques

Niveaux logiques et marges de bruit

R

vO

V +

v I

(b)

vI

vO

V+

(a)

MS

v I

R

vO

V+

iD

(c)

vI

R

vO

V +

iC

(d)

QS

L’inverseur se comportecomme un interrupteur

L’interrupteur peut êtremécanique ou électronique

MS : transistor MOSQS : transistor bipolaire

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Familles logiques

Courbe de transfert pratique: En pratique, il n’existe pas une tension Vref autour de laquelle lasortie bascule entre VOH et VOL mais plutôt une plage de transition VIH-VIL ( niveau logiqueindéfini )

UndefinedLogic State

V OH

V IH

V IL

V OL

NM L

NM H

V+

V -

"1"

"0"

"0"

"1"

vIvO

VIL

VIH

vI

vO

VOH

VOL

Slope = -1

Slope = -1

00

VOL

VOH

V+

V+

NM LNM

H

(a) (b)

De chaque côté de la plage de transistion VIH-VIL existent deux plages (NML et NMH) pourlesquelles l’entrée VI sera respectivement assumée comme étant encore un niveau logique 0et un niveau logique 1.

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Familles logiques

Niveaux logiques et marge de bruit

VOL : Tension NOMINALE correspondant à un niveau logique BAS à la sortie d’une porte logiquelorsque VI = VOH. En général, V- VOL

VOH : Tension NOMINALE correspondant à un niveau logique HAUT à la sortie d’une porte logiquelorsque VI = VOL. En général, VOH V+

VIL : La tension d’entrée MAXIMALE pouvant être reconnue comme un niveau d’entrée logiqueBAS

VIH : La tension d’entrée MINIMALE pouvant être reconnue comme un niveau d’entrée logiqueHAUT

NML : MARGE DE BRUIT associée à un niveau d’entrée logique BAS

NMH : MARGE DE BRUIT associée à un niveau d’entrée logique HAUT

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Familles logiques

Niveaux logiques et marge de bruitLes deux plages NML et NMH représentent des zones sécuritaire dans lesquelles le signal

d’entrée peut varier sans que la sortie logique soit affectée à cause d’une faible variationdue au bruit électronique. Ces variations sont causées par des signaux externes coupléset superposés aux signaux des portes logiques.


V OH

V IH

V IL

V OL

NM L

NM H

V+

V -

"1"

"0"

"0"

"1"

v IvO

VIL

VIH

vI

vO

VOH

VOL

Slope = -1

Slope = -1

00

VOL

VOH

V+

V+

NM LNM

H

(a) (b)

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Familles logiques

Niveaux logiques et marge de bruit: Une porte TTL possède les niveaux logiquessuivants : VOH = 3.6 V, VOL = 0.4 V, VIH = 2.0 V et VIL = 0.8 V.Calculez les marges de bruit pour cette porte logique.

Rép. : NMH = 1.6 V et NML = 0.4 V


V OH

VIH

V IL

VOL

NML

NMH

V+

V-

"1"

"0"

"0"

"1"

vIvO

VIL

VIH

vI

vO

VOH

VOL

Slope = -1

Slope = -1

00

VOL

VOH

V+

V+

NMLNM

H

(a) (b)

3.6 V

0.4 V

0.8 V 2.0 V

0.8 V

2.0 V3.6 V

0.4 V

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Familles logiques

Logique à diodes: Porte OU: La plus haute (positive ) des deux entrées l’emporte

A

B Z

R

D1

D2 0 V 4.4 V

R

D2

+5 V

D1

0.6 V+ -

+-4.4 V

A = "1"

B = "0" Z = "1"

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Familles logiques

Logique à diodes: Porte ET: La plus basse (négative) des deux entrées l’emporte

A ZD1

BD2

R

+5 V

0.6 V5 V

D1

R

+5 V

4.4 V+ -

0 VD2

- +0.6 V

A = "1"

B = "0"

Z = "0"

(a) (b)

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Familles logiques

Famille DTL (Diode Transistor Logic): Porte NON-ET : Permet d’obtenir une meilleureséparation des niveaux BAS et HAUTParmi les plus vielles familles logique, n’est plus utilisée de nos jours

A

B

ZD3

D2

D1

+3.3 V

RBRC

Q11

Figure 6.12 - A two-input diode-transistor logic (DTL) NAND gate

INVERSION

80


Familles logiques

Le transistor en mode blocage/saturation

Table 10.3 - BJT Parameters

I S 10 -15 A

F 40

R 0.25

V BE 0.70 V

V BESAT 0.80 V

V CESAT 0.15 V

2 k

vO

V = + 5 V

Q2

vI

+

-

vCE

iC

CC

iB

RC

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Familles logiques

Le transistor en mode blocage/saturation

0V 1.0V 2.0V 3.0V 4.0V 5.0VV

3.0mA

2.5mA

2.0mA

1.5mA

1.0mA

0.5mA

0A

Collector

Current

B

B

B

B

I = 60 uA

I = 45 uA

I = 30 uA

I = 15 uA

CE

Load line

Q saturated2

Q cutoff2

82


Familles logiques

Inverseur TTL de base: Passage de la famille DTL à la famille TTL ( Transistor-Transistor Logic). La famille TTL ne comporte qu’un seul bloc fonctionnel : le transistor

A

B

ZD3

D2

D1

+3.3 V

RBRC

Q11

Figure 6.12 - A two-input diode-transistor logic (DTL) NAND gate

PN N

2 k

Q2

vO

4 k

Q1

vI

iB1

V = +5 VCC

Figure 10.42 - TTL inverter prototype

N N

P

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Familles logiques

Porte NON-ET de base ( Deux entrées )

Q2

A

B

4 k

Q1A

Q1B

2 k

Y = A BiB

VCC

Figure 10.62 - Two input TTL NAND gate - Y A B

Pour augmenter le nombred’entrées, on augmente lenombre de transistors en leurfaisant partager une mêmebase.

84


Familles logiques

Porte NON-ET de base ( Deux entrées )

TABLE DE VÉRITÉ

T a b le 1 0 . 4 - T w o - I n p u t N A N DG a te T r u th T a b l e

A B Y A B

0 00 11 01 1

1110

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Familles logiques

Porte NON-ET de base (entrées multiples )

Q2

V

A

Q1A

Y = A B CiB

BC

4 k 2 k

CC

Figure 10.63 - Multi-emitter realization of the three-input NAND gate

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Familles logiques: Famille MOS

Transistors MOSFET:Metal Oxyde Semiconductor Field Effect TransistorGrille est formée d’une couche métallique déposée sur une couche d’isolantL’effet condensateur de la grille est responsable de la très grande résistanceIntégration facilitée pour la construction de circuits intégrés à grande densité

MOSFET à appauvrissement de canal:

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Familles logiques

opération

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Familles logiques

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Familles logiquesSYMBOLE MOSFET : N ET P

D : Drain

G : Grille (« Gate »)

S : Source

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Familles logiques: Famille CMOS ( Inverseur )

MN

vI

vO

V = 5 VDD

MP

S

G

G

S

D

D

(a)

vO

V = 5DD

vI

Ronp

onnR

(b)

Complementary Metal OxydeSemiconductor. Il s’agit d’unefamille utilisant des MOSFETcomplémentaires ( NMOS etPMOS ).

La complémentarité permeten même temps de saturer untransistor et de bloquerl’autre.

Avec ce mode defonctionnement, les transistorsagissent comme desinterrupteurs complémentaires( NO – NC )

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Familles logiques: FAMILLE CMOS

AVANTAGES

Faible dissipation, seulement durant les transitions.Bonne immunité au bruit, marge de bruit VDD/2.Grande plage d’alimentation 2V < VDD < 18V.

DÉSAVANTAGES

Sensible aux surtensions, électricité statique.Peut se détruire ou surchauffer si les entrées sont flottantes.Vitesse plus lente que TTL à cause de la capacité à l’entrée

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Logique complexe

MÉMOIRE RAM

Random Access Memory ou mémoire à accès aléatoire. Elle sert à sauvegarder(écriture) et récupérer (lecture) de l’information numérique. On l’appelle aussi« mémoire vive »

La RAM agit comme une zone de stockage temporaire. Elle est volatile i,e qu’elles’efface lorsque non alimentée.

Elle existe en deux types principaux: la mémoire RAM statique (SRAM) et la mémoireRAM dynamique (DRAM)

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Logique complexe

MÉMOIRE SRAM

La mémoire SRAM est constituée de bascules qui n’ont pas besoin d’êtrerafraîchies.

Les bascules qui constituent la SRAM sont plus complexes et plus denses par unitéde storage que pour la DRAM. Pour un même volume, la capacité « mémoire » desSRAM est plus faible ( 4 fois moins ) que celle de la DRAM.

Parce que plus complexe, la SRAM est donc habituellement plus coûteuse mais elleest plus rapide parce qu’elle ne comporte pas de capacités pour ralentir sa vitessed’accès. ( 8-15 nS )

La SRAM est utilisée comme mémoire dans le cache de votre PC.

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Logique complexe

MÉMOIRE DRAM

La mémoire DRAM utilise des capacités pour emmagasiner l’information en les chargeant àune tension qui correspond au niveau logique de chaque bits.

On doit régulièrement « rafraîchir » le contenu de la DRAM sinon la capacité sedéchargerait lentement et l’information finirait par disparaître.

Le circuit de rafraîchissement fonctionne sans arrêt pour constamment rétablir la charged’où l’origine de l’expression « Dynamique » dans DRAM.

Même si on doit ajouter un circuit de rafraîchissement, ce dernier sert pour l’ensemble dela DRAM. De plus, les capacités sont simples à fabriquer ( jonction P-N ).

Il est donc possible d’atteindre des circuits DRAM de haute densité à des coûtsrelativement bas.

Toutefois, les capacités sont lentes et le temps d’accès est relativement élevé ( 60 nS )

La mémoire DRAM, c’est la mémoire vive de votre PC.

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Logique complexe

MÉMOIRE ROM, PROM, EPROM

La mémoire ROM « Read-Only-Memory » comme son nom l’indique ne peut qu’être lue.L’information est écrite ou encodée une seule fois lors de la programmation du dispositif etelle est inscrite de façon permanente dans la structure de la puce. On l’appelle aussi« mémoire morte ».

La mémoire ROM est habituellement programmée une seule fois en usine par lemanufacturier à partir d’un masque conçu et fourni par le concepteur. Cette méthodepermet d’obtenir des dispositifs peu coûteux pour des productions de masse maisimpossible à modifier par la suite.

La mémoire PROM ( Programmable ROM ) est programmé par le concepteur à partird’un appareil simple. Plus coûteux que le ROM mais la programmation chez le client rendle processus de développement plus simple et plus flexible.

La mémoire EPROM ( Erasable PROM ) est programmé comme le PROM. Il est coûteuxprincipalement parce qu’il comporte une petite fenêtre transparente qui permet d’exposerle circuit intégré à une source lumineuse (ultra-violet) et d’effacer le contenu déjàprogrammé.

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Logique complexe

MÉMOIRE EPROM, EEPROM

À cause de son coût élevé, la mémoire EPROM ne peut être utilisée que pour desproductions de faible échelle ou pour la construction de prototypes. Le principalavantage réside dans la possibilité de pouvoir effacer et reprogrammer plusieurs foisle même dispositif, ce qui rend le processus de développement plus flexible.

Le fonctionnement de la mémoire EEPROM ( Electrically Erasable PROM ) estessentiellement identique à celui du EPROM sauf que l’effacement se fait encommandant un circuit électronique inclus sur la puce. Il n’est plus nécessaire d’avoirune fenêtre ou une source de rayons UV. L’avantage réside dans la possibilitéd’effacer et de reprogrammer le dispositif à distance. Le BIOS de votre PC sauvegardeses informations dans une mémoire de type EEPROM.

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Logique complexe

MÉMOIRE FLASH

Les mémoire FLASH ressemblent aux EEPROM mais elles peuvent programmer oueffacer des sections ou blocs spécifiques de mémoire par l’intermédiaires de signauxde commandes sur leurs broches.

Les microcontrôleurs utilisent souvent une portion de mémoire FLASH qui permetde les reprogrammer durant le fonctionnement selon des algorithmes adaptés auxbesoins de l’application.

Comme les mémoires xxROM, la mémoire FLASH n’est pas volatile et est en plusfacile à effacer et reprogrammer. Son coût est abordable pour des capacités demémoire de grandeur moyenne.

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Logique combinatoire

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Multiplexeurs (MUX)

Exemple : MUX à 2 entrées de données

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Démultiplexeurs (DEMUX):Circuit à 2n sorties, 1 entrée d’information, n entrées de commande.Il permet l’aiguillage d’information de l’entrée vers l’une des sorties.Exemple : Transmission avec multiplexage/démultiplexage.

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Résumé des propriétés desopérateurs OU et ET

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Logique séquentielle

Circuit séquentiel : circuit dont l’état des sorties dépend nonseulement des entrées mais également de l’état antérieur des sorties.Ces circuits doivent donc être capables de mémoriser.

Exemple

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Logique séquentielle

Les fonctions séquentielles de base sont :– mémorisation ;– comptage ;– décalage.

Les circuits séquentiels fondamentaux sont :– bascules (3 types) ;– compteurs ;– registres ;– RAM (Random AccessMemory).

Ces circuits peuvent travailler soit en mode synchrone, soit enmode asynchrone :

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Cours Electronique