Bonjour!

 

Dans ce post, je ferai un bref survol de ce qu'est un circuit numérique dans le but d'aider ceux

qui aimeraient s'adonner au bricolage en électronique mais qui n'ont pas de connaissance en ce domaine.

 

Pour bricoler un peu en électronique, il n'est pas nécessaire de faire un cours de 3 ans en électronique.

On peut apprendre l'électronique avec les sites web qui traitent du sujet ou en lisant quelques bons livres.

 

Aujourd'hui, je vous parlerai principalement des circuits intégrés numériques qui permettent de faire plein de

petits circuits intéressants une fois qu'on a compris comment ils fonctionnent.

 

Primo, il faut savoir que les circuits intégrés viennent en deux saveurs différentes : analogique ou numérique.

Secondo, les circuits intégrés utilisent deux technologies différentes : technologie TTL ou technologie CMOS.

 

Noter qu'il y a aussi des circuits intégrés ECL. Mais cette technologie est plutôt réservé à l'industrie à cause

de sa complexité de mise en oeuvre et de son coût. Cette technologie utilise les transistors en mode de

fonctionnement en dehors des zones saturées / bloquées ce qui permet des vitesses de commutation

extrêmement rapide. Mais par contre les circuits ECL consomment une plus grande quantité d'énergie

pour pouvoir commuter aussi rapidement.

 

Les  circuits TTL doivent être alimentés par un te tension électrique de 5 volts en courant continu et rien d'autre.

Les circuits CMOS sont plus souples puisqu'on peut les alimentés avec une tension de 3 à 18 volts en courant continu.

 

Un circuit intégré numérique peut aussi bien être un quadruple porte logique ET, un compteur binaire 

ou encore un circuit très complexe contenant des milliers de transistors comme le microprocesseur d'un ordinateur.

 

Dans les circuits intégrés analogiques, les tensions et courants peuvent varier continuellement.

Prenons comme exemple un amplificateur audio dont la tension d'entrée change en fonction du son capté par un microphone

ou bien encore un capteur de température dont la tension d'entrée varie en fonction de la température mesurée.

 

Dans les circuits intégrés numériques, les entrées et les sorties des circuits opèrent sur deux états possibles

que l'on appelle niveau logique haut et niveau logique bas ou parfois on parle de logique tout ou rien.

  

Qu'est-ce qu'un niveau logique haut ou un niveau logique bas?

Un niveau logique correspond à une certaine tension électrique et à un certain courant soit en entrée, soit en sortie.

 

Ces valeurs de tension et courant sont spécifiques à la famille utilisée :  circuits TTL ou circuits CMOS.

Niveau logique haut : les tensions des sorties sont un peu plus grandes que les tensions des entrées. 

Niveau logique bas : les tensions des sorties sont un peu plus petites que les tensions des entrées.

La différence entre les tensions entrée/sortie assurent une immunité aux bruits sur les signaux électriques entre les portes

logiques.

 

Le terme TTL signifie Transistor Transistor Logic. Un circuit TTL utilise des transistors bipolaires.

 

Le terme CMOS signifie Complementary Metal-Oxyde Semiconductor. Un circuit CMOS utilise des transistors MOSFET.

 

MOSFET signifie Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor.

En français s'il vous plait, transistor à effet de champ à structure métal-oxyde semiconducteur

ou plus simplement transistor à effet de champ à grille isolée. La grille est isolée par une mince couche de métal oxyde, ce qui 

explique le nom metal oxyde semiconductor. Et la tension mise sur la grille attire ou repousse les électrons sous la grille par

les forces magnétiques donc un effet de champ magnétique. Le terme MOSFET est-il plus clair pour vous maintenant?

 

Un transistor bipolaire est contrôlé par un courant.

Lorsqu'un petit courant passe de l'émetteur vers la base, un grand courant passera de l'émetteur au collecteur.

 

Noter qu'un transistor bipolaire peut être de type NPN ou PNP.

Quand un transistor est NPN, il faut une tension positive sur la base pour l'amener en état de conduction.

Quand le transistor est PNP, on mettra plutôt une tension négative sur la base pour l'amener en état de conduction.

Avec un transistor PNP, l'émetteur se trouve relié au Vcc et le collecteur relié à la résistance de charge

et la résistance de charge est reliée à la masse ou à une tension négative.

Le cablage d'un transistor PNP est donc à l'inverse d'un transistor NPN. 

Un transistor MOSFET est contrôlé par un voltage.

Quand un voltage est appliqué sur la grille, cela permet de diminuer ou d'augmenter le passage du courant électrique

entre la source et le drain. Pour obtenir plus d'information sur le transistor MOSFET, visiter ce site.

Dans les images ci-dessous, la zone hachurée est la mince couche d'isolation métal oxyde.

Un transistor MOSFET ressemble un peu à un condensateur.

La grille forme une armature, le métal oxyde forme l'isolant et le semiconducteur de type N forme l'autre armature. 

 

Un transistor MOSFET à canal N en mode déplétion est conducteur lorsque la tension sur la grille est à 0 volt.

Il devient de moins en moins conducteur comme le voltage sur la grille est augmenté.

Un transistor MOSFET à canal N en mode enrichissement est non conducteur quand le voltage sur la grille est à 0 volt.

Il devient de plus en plus conducteur comme le voltage sur la grille augmente.

Ce qu'on appelle le canal est la région dans le substrat de type N juste sous la grille.

 

Le substrat de type N est du silicium qui a été mélangé avec un autre composant chimique qui a 5 électrons libres sur sa dernière

orbitre. Le silicium a 4 électrons libres sur sa dernière orbite. Le composé chimique lui apporte 1 électron supplémentaire qui

n'aura pas d'électron pour se fixer. Puisque la charge d'un électron est négative on dit que le composé ou substrat est de type N.

Donc N pour Négatif.

 

Un substrat de type P est fait en mélangeant le silicium avec un composé chimique qui n'a que 3 électrons libres sur sa dernière

orbite. Dans ce cas, les 4 électrons libres de certaines atomes de silicium, n'auront que 3 électrons libres pour se fixer. Il manque

une roue au carrosse comme on dit. On parlera alors de trou et on dira que le composé est positif donc un substrat de type P.

Le P est donc pour Positif.

 

Accoler un morceau de type N à un morceau de type P forme le plus simple de tous les semi-conducteurs, la diode.

Un transistor est comme deux diodes connectées en inverse, NP et PN donne NPN.

 

Il faut comprendre que le silicium à l'état pure n'est pas beaucoup conducteur. Les courants que le silicium pur peut transporter

sont trop faibles pour faire un travail utile. C'est pour augmenter la conductibilité électrique du silicium qu'on le mélange avec

d'autres composés chimiques. Visitez cette page de Wikipédia sur les semi-conducteurs pour plus d'info sur le sujet.

 

Note : déplétion signifie baisse de quelque chose, parfois on parle aussi de mode d'appauvrissement car on repousse

          les électrons libres à l'extérieur du canal, ce qui abaisse sa conductibilité électrique, donc le courant électrique

          passant dans le canal diminue. On parle d'enrichissement lorsqu'on augmente le nombre d'électron dans le canal.

          Le canal s'enrichi de nouveaux électrons augmentant sa conductibilité électrique, donc le courant électrique

          circulant dans le canal augmente.

  

Pour les bricoleurs, les circuits CMOS sont avantageux car on peut les alimenter avec une simple pile de 9 volts.

De plus, aux basses fréquences, les circuits CMOS sont très peu gourmand en énergie électrique.

Si on alimente un circuit CMOS avec une pile, le circuit peut fonctionner plus longtemps avant de mettre la pile à plat.

Les circuits CMOS sont par contre sensibles aux décharges d'électricité statique. Il faut donc faire attention lorsqu'on les manipule.

 

Les autres paramètres à connaître sur les circuits numériques sont les délais de propagation et le fan-out.

 

Lorsqu'on utilise plusieurs portes logiques une derrière l'autre, le signal électrique doit passer d'une porte logique à l'autre.

Le signal prend un certain temps pour passer d'une porte à l'autre. C'est ce qu'on apppelle le délai de propagation.

Le délai de propagation de chaque porte s'additionne pour former un gros délai de propagation sur la sortie.

Ceci peut parfois occasionner des problèmes dans le fonctionnement d'un circuit.

 

Le fan-out concerne le nombre d'entrée qui peut-être relier sur la sortie d'une porte.

La sortie d'une porte logique peut fournir seulement un certain voltage et un certain courant électrique maximum.

S'il y a trop d'entrées qui sont reliées à une sortie, le circuit d'une porte logique ne pourra pas fonctionner correctement.

On peut trouver le fan-out en prenant le courant sortant du niveau haut d'une sortie divisé par le courant entrant du niveau haut

d'une entrée. On le fait aussi avec les courants sur les niveaux bas et on prendra la réponse la plus petite par précaution.

Ou encore essayer la formule que donne cette page web.

 

En principe aussi, le délai de propagation et le fan-out d'une famille logique sont fournis dans les datasheets du fabricant.

Il suffit d'entrer le nom du produit et le mot datasheet dans un moteur de recherche sur le web pour trouver l'information.

Exemple : cmos 4018 datasheet

               ttl 7485 datasheet

 

En passant, un autre nom que l'on donne aux portes logiques est circuit décisionnel. Les entrées d'une porte logique

déterminent une décision : l'entrée A plus grande que l'entrée B, entrée A égale à l'entrée B, etc. Les décisions des

portes logiques sont basées sur l'algèbre de Boole. Comprenez l'algèbre de Boole et vous comprendrez les portes logiques.

 

Il existe plusieurs familles logiques pour les versions TTL et CMOS.

 

Mais pour le bricoleur, la famille TTL la plus utilisée est la famille de base, soit la famille 74XX (7400, 7401, 7402, 7403, etc)

Pour des vitesses de commutation plus rapide ou si une faible dissipation d'énergie électrique est d'une grande importance alors

il y a la famille 74LSXX ou encore la famille 74ALSXX.

LS signifie Low power Schottky et ALS signifie Advanced Low power Schottky.

 

Dans le CMOS, la famille la plus populaire pour les bricoleurs est la famille 4XXX (4000, 4001, 4002, 4003, etc).

Il y a aussi des familles CMOS conçuent pour être compatibles avec le TTL, famille 74HC, 74 HCT, 74 AC, 74ACT (Exemple : 74HC04).

Pour un peu plus d'information sur les différentes familles logiques, jetez un petit coup d'oeil sur le fichier PDF au bout de ce lien.

 

Une famille logique se compose de circuits intégrés ayant chacun une fonction bien précise.

D'abord les portes logiques

                 Quadruple porte ET                 (Quad 2-Input AND Gate en anglais)  (TTL - 7408 / CMOS - 4081)

                 Quadruple porte Non ET          (Quad 2-Input NAND Gate en anglais) (TTL - 7400 / CMOS - 4011)

                 Quadruple porte OU                (Quad 2-Input OR Gate en anglais)     (TTL - 7432 / CMOS - 4071)

                 Quadruple porte Non OU         (Quad 2-Input NOR Gate en anglais)    (TTL - 7402 / CMOS - 4001)

                 Quadruple porte OU exclusif    (Quad 2-Input XOR Gate en anglais)    (TTL - 7486 / CMOS - 4070)

                 Quatre porte Non OU exclusif  (Quad 2-input XNOR en anglais)          (TTL - 74266 / CMOS - 4077)

Les inverseurs                                         (Hex Inverter en anglais)                    (TTL - 7404 / CMOS 4049)

Les registres à décalage                           (Shift register en anglais)

                                          - CMOS 4006 (18-stage shift register)

                                          - CMOS 4014 (8-stage shift register)

                                          - CMOS 4021 (8-stage shift register)

                                          - CMOS 4034 (8-stage, bidirectional, parallel/serial, input/output register)

Les compteurs                                        (Counter en anglais)

                                          - CMOS 4017 (Compteur décimal / décodeur 1 parmi 10)

                                          - CMOS 4018 (Presettable divide by N counter)

                                          - CMOS 4022 (Compteur octal / décodeur 1 parmi 8) (Octal counter with 8 decoded outputs)

Les bascules

               Bascule D                                   (Dual D Flip-Flop en anglais)   CMOS 4013 (Double bascule D)

               Bascule J-K                                 (Dual J-K Flip-Flop en anglais) CMOS 4027 (Double bascule J-k maître - esclave)

                                                                                                                             (Dual J-K master - slave flip-flop en anglais)

Les décodeurs / Démultiplexeurs                 (Decoder / Demultiplexer en anglais )

                             - CMOS 4028  (décodeur 1 parmi 10 (sortie active = vcc)

                             - CMOS 4515  (décodeur 1 parmi 16 (sortie active = 0 volt))

Les décodeurs pour afficheur à 7 segments   (7 segment decoder en anglais)

                             - CMOS 4511 - décodeur binaire pour afficheur 7 segments

                             - TTL 7447    - BCD to 7 segment decoder / driver with 15 V open collector outputs

etc, etc, etc, etc.

 

Pour vérifier le niveau logique sur une broche d'un circuit intégré numérique dans un circuit,

on utilisera une sonde logique (Logic probe en anglais). La sonde logique indique les niveaux logiques

haut et bas avec des diodes émettrice de lumière (DEL) et avec deux tonalités sonores de fréquence différente.  

Voici quelques liens vers de l'information supplémentaire sur les circuits numériques et les portes logiques.

Site 1 - Information sur les familles TTL.

Site 2 - Le transistor

Site 3 - Transistor bipolaire (Wikipédia)

Site 4 - Les portes logiques

Site 5 - Des transistors aux portes logiques

Site 6 - Porte NAND et AND

Site 7 - Les portes logiques

Site 8 - Portes logiques

Site 9 - Transistors et portes logiques

 

Pour commencer à assembler des petits circuits sur un breadboard essayer ceux de mon post sur les chenillards à dels.

Tous les circuits des chenillards utilisent des circuits intégrés CMOS. Ici un lien vers un breadboard si vous en voulez un.

 

Mes amis!

Apprendre la technologie permet d'apprivoiser la technologie.

À la prochaine!