Technologie des fonctions logiques TTL et CMOS L`objectif de ce

Technologie des fonctions logiques TTL et CMOS
L’objectif de ce chapitre est de donner des ordres de grandeur et de mieux connaître les
propriétés des fonctions logiques. Pour limiter le champ de l’étude nous étudierons de façon
générale les deux grandes familles TTL et CMOS sans aborder les nuances entre les
nombreuses sous-familles.
1- Alimentation
En TTL :
L’alimentation 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.
2- Niveaux d’entrée et de sortie
Chaque entrée de fonction logique traduit le niveau de tension reçu en état logique.
En entrée
En sortie
Vcc
Vcc
Entrée au 1 logique
1L
Vohmini
Vihmini
Immunité aux bruits
zone du
basculement
à l’entrée
Vilmaxi
Immunité aux bruits
Entrée au 0 logique
Volmaxi
0L
0V
0V
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.
En TTL :
Vohmini = 2,4 V
Vihmini = 2 V
Volmaxi = 0,4 V
Vilmaxi = 0,8 V
L’immunité aux bruits est de 0,4 V.
En CMOS :
Vohmini = 0,95.Vcc
Vihmini = 0,55.Vcc
Volmaxi = 0,05.Vcc
Vilmaxi = 0,45.Vcc.
L’immunité aux bruits est de 0,4.Vcc.
3- Courant 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 Iihmaxi = 40µA.
La sortie peut délivrer Ioh maxi = 400µA au 1L et absorber Iolmaxi = 16mA au 0L.
La sortance est donc de 10 en TTL. La sortance correspond au nombre d’entrées qu’une sortie
peut commander.
En CMOS :
Les courants d’entrée sont inférieurs à 1µA et les sorties peuvent véhiculer plus de 1 mA.
La sortance est limitée non pas par les courants d’entrée-sortie mais par les capacités parasites
(5pF) d’entrée qui réduisent les temps de commutation.
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4- Paramètres dynamiques
Quand une fonction logique change l’état d’une sortie, celui-ci 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).
Le traitement de l’information n’est pas immédiat. Il existe un temps de propagation tp.
Pour une porte inverseuse :
Entrée
1L
0L
t
Sortie
tphl
tplh
t
td
tm
En TTL :
Tp varie selon la sous-famille de 10ns (TTL « N ») à 1,5ns (TTL « AS »).
En CMOS :
Tp varie en fonction du niveau de l’alimentation Vcc. La vitesse augmente quand on fait
croître Vcc.
Mais chaque entrée CMOS présente une capacité parasite de 5pF. La capacité vue par la sortie
influe fortement sur le temps de réponse :
Tp
150ns
Vcc = 5V
Vcc = 10V
100ns
Vcc = 15V
50ns
20pF
100pF
Capacité de charge vue par la sortie
Comparaison de la consommation des fonctions TTL et CMOS par porte :
20mW
TTLAS
CMOS (Vcc = 10V)
10mW
1mW
TTLN
TTLALS
1Mhz
20MHz
fréquence des commutations
La consommation des CMOS est quasi nulle aux basses fréquences. Mais elle atteint celle de
la TTL autour de 1MHz.
A chaque commutation la fonction appelle une impulsion de courant (di/dt) sur les broches
d’alimentation. Pour que Vcc ne varie pas du fait des inductances de cablage (L.di/dt), on
place des condensateurs de découplage (0,1µF) sur l’alimentation de chaque circuit intégré.
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5- Interfaçage
Sorties en collecteur ouvert :
La plupart des fonctions TTL ont des sorties « totempole » dont la tension évolue de 0 à Vcc.
Mais pour faciliter l’élaboration d’interfaces ou pour réaliser une fonction « ET cablé »,
certaines fonctions spéciales ont des sorties en « collecteur ouvert ».
Vcc
Vdd
Vcc
Sortie ET cablé
S
S évolue de 0V à Vdd (30V par
exemple) bien que la fonction soit
alimentée entre 0 et Vcc.
Capteur « tout ou rien » en entrée de fonction :
Vcc
Vcc
R1
R2
0V
0V
En TTL :
R1 doit imposer 1L sur l’entrée quand l’interrupteur est ouvert. R1 = 10 kΩ par exemple.
La fermeture de l’interrupteur impose un 0L sans problème.
R2 doit imposer 0L sur l’entrée quand l’interrupteur est ouvert. R1 = 390Ω par exemple.
La fermeture de l’interrupteur impose un 1L sans problème.
En CMOS :
R1 = R2 = 10KΩ par exemple.
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