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TECHNOLOGIE DES CIRCUITS INTEGRES LOGIQUES - D ANGELIS
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VI - 1 - La technologie BiCMOS
Cette technologie est le fruit de l'association sur la même puce de silicium de transistors Bipolaires et CMOS. Le but
recherché est d'atteindre de grandes vitesses de commutation avec une forte impédance d'entrée et une grande
immunité au bruit.
La famille BiCMOS apparaît notamment ( notre étude n'est pas ici exhaustive) chez Texas Instrument sous la
Référence 74BCT (ou 54BCT) et 74BC chez Motorola en 1989. Le mariage de ces deux technologies va permettre de
réaliser des portes associant faible consommation et fort courant de sortie. Les circuits BicMOS en fait vont prendre
leur essor avec la nécessité de circuits basse tension . L’accroissement du nombre des transistors dans les
microprocesseurs, actuellement près de 500 millions, et de la fréquence de l’horloge, plusieurs GHz, pose de gros
problèmes de consommation et par conséquent de refroidissement. Nous avons vu (§ II – 1 – 4 page 22) que la
puissance consommée est proportionnelle au carré de la tension et à la fréquence aussi le seul élément sur lequel on
peut agir est la tension. La tension d’utilisation est donc maintenant réduite et par conséquent celle des circuits
annèxes. Les BiCMOS y ont trouvé leur place voir le chapitre suivant , les logiques à basse tension.
Les propriétés des circuits BiCMOS font qu’ils seront surtout employés pour fournir des courants importants
(relativement) ce sera le plus souvent pour une utilisation en Buffers ou en Drivers de Bus qui comme chacun sait
vivent en bande (souvent par 8 ou par 16 ). L'emploi de BiCMOS à la place de TTL permettra une économie réelle de
puissance pour des performances en rapidité légèrement moins bonnes.
Texas nous propose une comparaison du circuit 74BCT245 ( 8 buffers bidirectionnels Bicmos) avec l'équivalent en
technologie ALS et Fast
SN74ALS245A
Iih pour Vih=2,7V
Iil pour Vil=0,5V
loh pour Voh=2,05V
0,02 mA
- 0,1 mA
SN74F245
SN74BCT245
0,07 mA
0,07 mA
- 0,65mA
- 0,65 mA
- 15 mA
- 15 mA
- 15 mA
Iol pour Vol=0,5V
24 mA
64 mA
64 mA
Tdp maxi
10 ns
Consommation totale
322 mA
7,0 ns
650 mA
7,2 ns
207 mA
On voit que pour une vitesse quasi identique à celle du 74F le 74BCT à une consommation réduite des deux tiers
VI - 1 - 1 - Caractéristiques de la porte NAND BICMOS
Il y a peu de fabricant qui propose encore des portes NAND en BICMOS en 5 volts après en avoir proposé
sous la référence MCB74BCOO, Motorola a réduit son offre en portes logiques. Actuellement seul ( à notre
connaissance) Philips nous en propose sous la référence 74ABT00. L’offre en BICMOS est importante dans le
domaine des logiques admettant des Vcc ( tension d’alimentation) plus souples ; Ce sera le thème du prochain
chapitre (II – 3 - )
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PARAMETRE
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MCB
74ABT00
TTL
Standard
(rappel)
5±0,5V
5±5%
Volts
Unités
Tension d'alimentation
Vcc
Tension minimale de sortie à l'état haut
VOH min
2,5
2,4
Volts
Tension maximale de sortie à l'état bas
VOL max
0,5
0,4
Volts
Tension minimale d'entrée à l'état haut
VIH min
2,0
2,0
Volts
Tension maximale d'entrée à l'état bas
VIL max
0,8
0,8
Volts
Courant de sortie maximum à l'état haut
IOH max
15
-0,4
mA
Courant de sortie maximum à l'état bas
IOL max
20
16
mA
Courant d'entrée maximum à l'état haut
IIH max
1
4
µA
Courant d'entrée maximum à l'état bas
IIL max
1(µA)
-1,6
mA
50
mA
Consommation
los
min/max
Icc
Temps de propagation de 0 à 1 typique
Tplh
2,5
11
nS
Temps de propagation de 1 à 0 typique
Tphl
2,0
7
nS
Facteur de qualité ( Vcc . Icc. Tp)
Fdq
0,02
100
pJ
Courant de court-circuit
50
2µA
2mA
Nous aurons l’occasion de retrouver d’autres familles BICMOS dans le chapitre consacré aux logiques basse tension
VI - 2 - Les circuits à Arséniure de Gallium
t'Arséniure de Gallium GaAs ( on dit souvent , improprement, AsGa, c'est le corps qui se ionise positivement qui doit
être mentionné le premier Ga valence 3 et As valence 5) est un semi conducteur dans lequel les électrons ont une
mobilité beaucoup plus grande que dans le Silicium (ceci a été développé page 2 ) cela entraîne que, pour une même
quantité de dopant, la résistivité du GaAs est environ 15 fois plus faible que celle du Silicium. D'autre part, l'énergie
nécessaire pour créer une paire électron-trou (voir page 5) est de 1,43 eV au lieu de 1,1 pour le Silicium d'où une plus
grande résistivité, intrinsèque.
Ces caractéristiques confèrent au GaAs des propriétés qui vont permettre de réaliser des transistors très rapides,
utilisés dans les amplificateurs haute fréquence et dans les circuits logiques rapides.
Quelques sociétés ont commercialisé des circuits logiques dont "Gigabit" mais il semblerait que ces sociétés ont
maintenant disparu ou qu’elles ne proposent plus de circuits logiques
Nous avons dans cette première partie passé en revue la porte NAND dans chacune des technologies ( excepté pour
l'ECL et le GaAs ) mais force est de reconnaître que ces circuits traditionnels vont tendre à disparaître, l'ère des
ASICs a commencé.
VI – 3 – Les logiques basse tension
VI – 3 – 1 - Les logiques basse tension pourquoi ?
Les circuits intégrés modernes comportent un nombre de transistors impressionnant. Intel vient de réaliser une
mémoire RAM statique de 70 Mbits en technologie 65nm sur une puce de 110 mm2. Chaque cellule mémoire est
réalisée à l’aide de 6 transistors ce qui donne plus de 440 millions de transistors rien que pour les cellules, il faut
ajouter les circuits d’entrée sortie et le décodage d’adresse. La densité d’intégration approche les 10 millions de
transistors au mm2. Le cas des mémoires n’est pas le plus critique la structure régulière des cellules toutes
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identiques se range bien et seul un petit secteur de la mémoire travaille à un moment donné d’où une consommation
raisonnable.
Les cas des microprocesseurs est plus délicat, de multiples fonctions sont intégrées, plusieurs fonctionnent
simultanément, la consommation électrique est plus importante. Prenons comme exemple le Pentium D, gravé en
technologie 90 nm et cadencé aux environ de 3 GHz. Il loge sur une puce de 204 mm2 230 millions de transistors, Il
sera monté sur un support à 775 broches (LGA775) et opérera sur un bus cadencé à 800 MHz . Il consomme plus de
80W (un fer à souder d’électronicien consomme 30W).
Comme indiqué au chapitre I-1-4 la puissance consommée est proportionnelle à la valeurs des capacités, au carré de
la tension et à la fréquence du signal d’horloge. La fréquence du signal est en perpétuelle augmentation. le seul
paramètre qui permette de diminuer la puissance est de réduire la tension ce qui permet de réduire également la taille
des transistors et par conséquent la valeur des capacités. Un autre élément incite à réduire la tension, pensons qu’un
transistor dont le canal de 1µm bloque une tension de 5 volts est le siège d’un champ électrique de 5 millions de volts
par mètre. Pour « tenir » un tel champ des matériaux d’une pureté extrême sont nécessaires. Il ne faut donc pas
s’étonner de la diminution de la tension et par conséquent de celle des circuits annexes.
La réduction de la tension n’est pas tout bénéfice, nous avons vu § II-3-2-4-1 que la résistance « ON » d’un transistor
MOS est dépendante de la tension d’alimentation. La vitesse de commutation d’un transistor MOS est dépendante de
la vitesse de charge de sa capacité de grille donc du RC , un transistor alimenté en basse tension aura un Ron
important augmentant le RC des transistors qu’il va piloter. Les temps de propagation des circuits alimentés en basse
tension vont donc être pénalisés.
En résumé :
Réduire la tension d’alimentation permet :
Réduire la taille des transistors
Réduire la puissance dissipée
Réduire la taille de la puce donc du coût du circuit
Augmente le temps de propagation
VI – 3 – 2 - Les familles logiques basse tension
Reprenons le tableau du chapitre II-1-6
L’offre en matière de circuits logiques s’est étendue en matières de familles mais s’est restreinte en matières de
fabricants. Il est certain que les ASICs permettent maintenant de regrouper en un seul circuit tout l’ensemble des
portes logiques que l’on peut trouver sur une carte autour d’un microprocesseur ou d’un micro contrôleur. Un ASIC
permet de réduire tous les problèmes de câblage et améliore les performances et la fiabilité.
Parmi les fabricants on peut trouver : Texas instruments, Philips, ST microelectronics, Toshiba, Fairchild
Reprenons la listes des familles proposées par Texas Instruments, cette fois nous avons mis en rouge les logiques
susceptibles d’être alimentées sous une tension inférieure à 5 volts
Logic Technology Families
BiPolar
ALS
Advanced Low-Power Schottky Logic
AS
Advanced Schottky Logic
F
Fast Logic
LS
Low-Power Schottky Logic
S
Schottky Logic
TTL
Transistor-Transistor Logic
BiCMOS
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ABT
Advanced BiCMOS Technology
ABTE
Advanced BiCMOS Technology / Enhanced Transceiver Logic
ALB
Advanced Low-Voltage BiCMOS
ALVT
Advanced Low-Voltage CMOS Technology
BCT
BiCMOS Technology
FB
Backplane Transceiver Logic
GTL
Gunning Transceiver Logic
HSTL
High-Speed Transceiver Logic
JTAG
JTAG Boundary Scan Support
LVT
Low-Voltage BiCMOS Technology
SSTL
Stub Series Terminated Logic
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CMOS
AC
Advanced CMOS Logic
ACT
Advanced CMOS Logic
AHC
Advanced High-Speed CMOS
AHCT
Advanced High-Speed CMOS
ALVC
Advanced Low-Voltage CMOS Technology
AUC
Advanced Ultra-Low-Voltage CMOS Logic
AUP
Advanced Ultra-Low-Power CMOS Logic
AVC
Advanced Very-Low-Voltage CMOS Logic
CB3Q
Low-Voltage, High-Bandwidth Bus Switch Technology
CB3T
Low-Voltage, Translator Bus Switch Technology
CBT
Crossbar Technology
CBT-C
CBT with Undershoot Protection
CBTLV
Low-Voltage Crossbar Technology
CD4000
CMOS Logic
FCT
Fast CMOS Technology
GTLP
Gunning Transceiver Logic Plus
HC
High-Speed CMOS Logic
HCT
High-Speed CMOS Logic
LV-A
Low-Voltage CMOS Technology
LV-AT
Low-Voltage CMOS Technology
LVC
Low-Voltage CMOS Technology
PCA
Inter Integrated Circuit
PCF
Inter Integrated Circuit
SSTV
Stub Series Terminated Low-Voltage Logic
TVC
Translation Voltage Clamp
VME
VME Bus Products
Sur ces 37 familles CMOS et BICMOS , 26 peuvent être alimentées en basse tension. Mais toutes ne proposent pas
des portes logiques. Par contre toutes proposent des driver de bus du type 74xx244 et suite
Nous allons étudier parmi ces familles celles qui proposent des portes logiques de base. Contrairement aux circuit
TTL, un 74LS00 de chez Texas est identique à celui de Motorola ou de Philips, deux circuits de même référence
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peuvent avoir des caractéristiques différentes suivant son fabricant. Nous en verrons un exemple avec le 74LV00 de
Texas et de Philips.
Nous allons examiner trois familles
Les plus anciennes sont HC, AHC, VHC.
Puis les LV, LVC,ALVC, LVT, ALVT dont certaines datent de 1998
Et AUC et AUP les plus récentes dont le Vcc peut descendre jusqu’à 0,8volt qui ont été conçues récemment, 2003 à
2006
VI – 3 – 3 - Plages de Vcc des familles logiques basse tension
Ont peut voir que la tendance va vers des tensions plus basses mais aussi à une réduction de l’éventail de la tension
d’alimentation. Deux éléments en sont la cause, dans un premier temps, il était important que ces circuits soient
compatibles avec les circuits TTL et dans un second temps réduire l’éventail du Vcc afin d’optimiser la taille des
transistors et les performances. Puisque toute la logique de la carte devient basse tension quelques circuits
translateurs de niveau suffiront.pour s’interfacer avec les logiques fonctionnant en milieu bruité ( parasité) et donc
alimentées sous des tensions plus élevées
6V
6,0 V
5,5 V
5,5 V
5,5 V
5V
4V
3V
3,6 V
2,7V
LV
3,6 V
3,6 V
LVC
ALVC
SZ
LX
LVC
3,6 V
3,6 V
LVT
ALVC
HC
LV
AHC
VHC
3,6 V
LVX
LCX
2,7 V
2V
AUC
2,3 V
AUP
2,0 V
1V
1,65V
2,0 V
2,0 V
1,65V
1,2V
0V
0,8 V
0,8 V
1,0V
VI – 3 – 4 - Les familles logiques HC
Conçues dans les années 90, elles offrent un éventail de tension élevé de 2 à 5,5 volts voir 6 volts. Elles sont un
progrès par rapport à la CMOS 4000 ( Vdd de 3 à 18 volts ) mais des temps de propagations de 125 à 40 ns
Ces familles sont complétées par des fonctions qui vont assurer la compatibilité avec les circuits TTL , famille HCT
pour HC, AHCT pour AHC etc
En général, nous nous sommes limités à faire apparaître les valeurs typiques, lorsqu’elles ne sont pas fournies les
valeurs mini/maxi ont été portées.
La valeur Icc est le courant absorbé au repos il est généralement très faible de l’ordre de quelques micro-ampères.
Ci est la capacité d’une entrée , il faut pour le circuit qui fournit un état logique à cette entrée charger ce condensateur
pour faire apparaître un 1 sur cette entrée . Le temps de monté sera donc fonction de cette capacité et de la
résistance interne de la source.
Cpd est la valeur de la capacité à charger à chaque changement d’état de la porte
L’énergie consommée est proportionnelle à la valeur du condensateur Cpd, du carré de la tension d’alimentation et
de la fréquence de la charge.
P= UI
I = Q F = CUF
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P = CU2F
Pour chacune des portes.
Il faut également ajouter à cette puissance celle qui sera fournie aux entrées des circuits commandés par le circuit
étudié.
Autre puissance à ajouter vient du courant absorbée par l’étage de sortie, lorsque les deux transistors , le P et le N
sont en train l’un de se bloquer, l’autre devenant passant les deux transistors sont alors dans un état intermédiaire et
une pointe de courant va passer de Vcc vers GND. C’est l’une des raisons pour lesquelles on doit appliquer sur
l’entrée de commande un signal à front raide. Cette pointe de courant est notée ∆Icc Nous ne l’avons pas fait
apparaître dans les tableaux ci dessous
Passons en revue quelques paramètres importants des familles HC
HC
Vcc de 2 à 6 volts
Vcc
2
4,5
6
Volts
VIH min
1,5
3,15
4,2
Volts
VIL max
0,5
2,1
2,8
Volts
Tdp
25
9
7
nS
IO
20 µA
4
5,2
mA
Icc, Ci, Cpd
20 µA, 3,5pF, 22pF
AHC
Vcc de 2 à 5,5 volts
Vcc
2
3
5,5
Volts
VIH min
1,5
2,1
3,85
Volts
VIL max
0,5
0,9
1,65
Volts
Tdp
6
4,5
nS
IO
4
8
mA
Icc, Ci, Cpd
20 µA, 3pF, 7pF
VHC
Vcc de 2 à 5,5 volts
Vcc
2
VIH min
VIL max
3
5,5
Volts
1,5
0,7* Vcc
Volts
0,5
0,3 Vcc
Volts
Tdp
8
5,2
nS
IO
4
8
mA
Icc, Ci, Cpd
2 µA, 4pF, 19pF
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II – 3 – 5 - Les familles logiques LV
LV(Philips)
Vcc de 1 à 5,5 volts
SZ(Fairchild)
Vcc
1,2
3,3
5,5
Vcc
VIH min
0,9
2
0,7Vcc
VIH min
VIL max
0,3
0,8
0,3Vcc
VIL max
Tdp
45
9
6,5
Tdp
2/5,4
IO
4
IO
25
Vcc de 1,65 à 5,5 volts
1,65
3,3
5,5
Volts
0,7 Vcc
0,75Vc
c
Volts
0,25 Vcc
0,3 Vcc Volts
0,5/2,4
0,5/2
32
nS
mA
Icc,Cin,Cpd
20 µA, 3,5pF, 22pF
Icc,Cin,Cpd
LV(Texas)
Vcc de 2 à 5,5 volts
LX
Vcc
2
5,5
Vcc
VIH min
1,5
0,7Vcc
VIH min
0,7 Vcc
0,75Vc
Volts
c
VIL max
0,5
0,3Vcc
VIL max
0,25 Vcc
0,3 Vcc Volts
Tdp
9,6
4,9
Tdp
2/13
IO
2
12
IO
4
Icc,Cin,Cpd
20 µA, 3,3pF, 9,5/11pF
LVC(Texas)
Vcc
1,2
Vcc
VIH min
1,2
VIL max
GND
Tdp
12
IO
3,6
2
VIH min
0,8
VIL max
0,1 µA, 4pF, 15pF
Vcc de 1,65 à 5,5 volts
1,65
0,65Vc
c
0,25Vc
c
5,5
Volts
0,7* Vcc
Volts
0,3 Vcc
Volts
24
IO
4
32
mA
1,65
Icc,Cin,Cpd
mA
12
Vcc
6
32
nS
nS
LVT(bicmos)
IO
1,4,5
2,5
Vcc de 1,6 à 3,6 volts
2,8
1/5,2
Volts
6
ALVC
Tdp
5,5
Tdp
Icc,Cin,Cpd
VIL max
3,3
2,1
0,1 µA, 4pF, 15pF
0,65Vc
c
0,65Vc
c
1,65
2,4
Icc,Cin,Cpd
VIH min
Vcc de 1,65 à 5,5 volts
Icc,Cin,Cpd
LVC(Philips) Vcc de 1,2 à 3,6 volts
2,7
2 µA, 4pF, 16/20pF
10 µA, 4pF, 22/25pF
De 2,7 à 3,6 volts
2,3
3,6
Vcc
1,7
2
VIH min
2
Volts
0,7
0,8
VIL max
0,8
Volts
2,6
2,1
Tdp
3,8
2,7
nS
IO
24
32
mA
24
3,6
Volts
Icc,Cin
20 µA / 1mA , 3pF
Vcc de 2 à 3,6 volts
LCX
Vcc de 2 à 3,6 volts
Vcc
2
3
3,6
Vcc
VIH min
1,5
2
2,4
VIH min
2
Volts
VIL max
0,5
0,8
0,8
VIL max
0,8
Volts
Tdp
7,5
IO
50 µA
LVX (STM)
Icc,Cin,Cpd
0,2 µA, 3,5pF, 28pF
2,7
6,4
4
2 µA, 4pF, 18pF
(Toshiba)
2,7
3,3
3,6
Volts
Tdp
6(maxi) 1,5/5,2
nS
IO
12
mA
Icc,Cin,Cpd
16
10 µA, 7pF, 25pF
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VI – 3 – 6 - Les familles logiques AU
Ce sont les circuits les plus récents, les premières familles sont apparues en 2005, elles peuvent être alimentées à
partir de 0,8 volt et présentent des temps de propagation très intéressant
AUP
Vcc de 0,8 à 3,6 volts
Vcc
0,8V
1,4V
2,3V
3,6V
VIH min
0,7Vcc
0,7Vcc
1,6V
2V
VIL max
0,3Vcc
0,3Vcc
0,7V
0,9V
Tdp
17,5ns
3,8ns
2,5ns
2,2ns
IO
20 µA
2,3mA
4mA
Icc
0,5 µA
Ci - Cpd
0,8 /1,5 pF – 3pF
AUC
Vcc
Vcc de 0,8 à 2,7 volts
0,8
2
0,65Vc
c
0,35Vc
c
2,7
Volts
1,7
Volts
0,7
Volts
VIH min
Vcc
VIL max
0
Tdp
4,7
1,4
1,2
nS
IO
100 µA
8
9
mA
Icc
Ci - Cpd
10 µA
4 pF – 13pF
VI – 3 – 7 - Quelques données sur les drivers de bus « 244 »
Toutes les familles basse tension ne comportent pas de portes logiques, mais toutes proposent des drivers de bus
que l’on trouve sous les références 74xx244 ( 240 à 245 ) La note d’application de Philipps AN263 compare la
consommation des 244 de divers technologies, nous en reproduisons ici une fraction.
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