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4Aklisme

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[Technologie] TTL et CMOS

Publié 4Aklisme le 30 mai 2008 - 09:11 in Electronique

Introduction


Le but de ce cours est d'apporter une connaissance sur les deux grandes familles technologiques utilisées dans les circuits logiques en électronique. Ce cours va donc comparer les familles TTL et CMOS en donnant leurs principales caractéristiques.

Présentation


1- Définition :


Avant toute chose il faut définir ce que sont TTL et CMOS. Ce sont deux familles technologiques utilisées pour les circuits logiques en électronique.
Pour ceux qui ne comprennent pas le terme 'circuit logique', c'est en faite un circuit intégré contenant des portes logiques telles que des OR, AND, NAND etc...

Image IPBPour en savoir plus sur les portes logiques voici un tuto de Robocop : Les portes logiques


2- La famille TTL :


TTL est l'abréviation de ''Transistor-Transistor Logic''. Elle a été inventée en 1960. Cette famille est réalisée avec des transistors bipolaires. (De nos jours, la technologie TTL tend à être remplacée par la technologie CMOS).

Les avantages de cette famille :
  • Les entrées laissées en 'l'air' ont un état logique à 1 par défaut.
  • Une bonne immunité au bruit.
  • Un temps de propagation faible.
Les inconvénients de cette famille :
  • L'alimentation doit être précise à 5V +/- 5 % sinon on risque de détruire le circuit.
  • Du fait qu'elle est réalisée avec des transistors bipolaires elle consomme pas mal de courant comparer à la famille CMOS. (Car les transistors bipolaires sont commandés en courant).
Le nom des circuits de cette famille commencent par 74 suivi d'une ou plusieurs lettres représentant la série et suivi d'un code à 2 ou 3 chiffres représentant le modèle du circuit.

Exemple : le circuit 74LS08 (porte ET).

Les lettres au milieu du nom représente donc la série. On décline plusieurs séries :
74xx : série standard.
74Lxx : série faible consommation.
74Sxx, 74ASxx, 74ALSxx 74Fxx, 74AFxx : série rapide.
74LSxx : mélange des technologies L et S, c'est une des séries la plus répandue.

Il existe aussi des séries 74HCxx et 74HCTxx qui est le résultat d'une combinaison de la technologie TTL et CMOS afin d'ajouter leurs avantages.


3- La famille CMOS :


CMOS est l'abréviation de ''Complementary Metal Oxide Semi-conductor''. Le premier dispositif MOS est apparu en 1960. Son développement a été rendu possible par les progrès réaliser par la technologie TTL. Cette famille est réalisée avec des transistors à effet de champs.

Les avantages de cette famille :
  • L'alimentation peut aller de 3V à 18V.
  • Le courant d'entrée est nul, car elle est réalisée avec des transistors à effet de champs. (Les transistors à effet de champs sont commandés en tension).
  • Une excellente immunité au bruit.
Les inconvénients de cette famille :
  • La vitesse de commutation est plus faible que pour la technologie TTL.
Le nom des circuits de cette famille commencent par 40 suivi de deux chiffres représentant le modèle du circuit.

Exemple : le circuit 4081 (porte ET).
Prochain chapitre : Alimentation.
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Alimentation


Circuit TTL :
L'alimentation doit être continue et stable de 5V à +/- 5 %.

Circuit CMOS :
On a un choix d'alimentation plus large de 3V à 18V. Mais en faible alimentation, les performances dynamiques sont moins bonnes. (Certaines séries peuvent maintenant être alimenté à moins de 3V...)
Image IPBProchain chapitre : Niveaux d'entrée et de sortie.

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Niveaux d'entrée et de sortie



Une fonction TTL reçoit une tension de 5V sur une de ses entrées. Elle la traduit en un état logique haut, c'est-à-dire un '1' logique. Imaginons maintenant qu'elle reçoit 4,7V à cause des parasites. Comment va telle traduire cette information ?

C'est pour cela que les entrées et les sorties des fonctions logiques ont des marges pour qualifier un état logique :
Image IPB
(VCC = tension d'alimentation)

Technologie TTL : (VCC = 5V)
Image IPB
Image IPB
Image IPB
Image IPB

Technologie CMOS : (dépend de VCC)
Image IPB
Image IPB
Image IPB
Image IPB

Exemple : Si une fonction TTL reçoit une tension d'entrée comprise entre 5V et 2V celle-ci sera considérée comme un état logique haut. Si elle reçoit une tension d'entrée entre 0V et 0,8V elle la considèrera comme un état logique bas. Entre 2V et 0,8V l'état sera aléatoire.

Prochain chapitre : Courant d'entrée et de sortie.
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Courant d'entrée et de sortie



1- En TTL :


Les circuits TTL étant réalisés à l'aide de transistors bipolaires NPN ou PNP, la commande se fait par l'intermédiaire du courant de base, donc le courant d'entrée des opérateurs TTL est différent de 0.

Courant d'entrée :
A l'état bas une entrée TTL a besoin d'un courant sortant maxi de 1,6mA.
A l'état haut une entrée TTL a besoin d'un d'un courant entrant maxi de 40µA.

Courant de sortie :
A l'état bas une sortie TTL peut absorber un courant maxi de 16mA.
A l'état haut une sortie TTL peut délivrer un courant maxi de 400µA.

On voit qu'une sortie TTL peut commander 10 entrées TTL.


2- En CMOS :


Les circuits CMOS étant réalisés à l'aide de transistors à effet de champs, la commande se fait par une tension, donc le courant d'entrée des opérateurs CMOS est quasi nul.

Courant d'entrée :
Inférieur à 1µA.

Courant de sortie :
Une sortie peut fournir jusqu'à plus de 1mA selon les modèles.
Prochain chapitre : Types de sorties.
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Types de sorties


Certain circuit on une sortie spéciale dite à ''collecteur ouvert'' qui permet des commandes sur des charges reliées à une alimentation de tension supérieure à l'alimentation du circuit. Pour savoir si un circuit est à sortie à collecteur ouvert il suffit de regarder dans la documentation technique du constructeur. On trouve ce symbole sur les portes logiques :
Image IPB

'Sortie à collecteur ouvert' veut dire que la sortie du circuit est composée d'un transistor dont la borne du collecteur est en ''l'air'' :
Image IPB

Il faut donc prévoir des composants externes permettant la polarisation du transistor.
On câblera donc la sortie de cette manière :
Image IPB

Ainsi avec notre sortie à collecteur ouvert (TTL) on peut avoir une commande en 12V. (sans collecteur ouvert on aurait eu une commande en 5V).
Prochain chapitre : Tableau récapitulatif et exemples de nom de CI.
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Tableau récapitulatif et exemples de nom de CI



VI- a : Tableau récapitulatif :


Image IPB

VI- b : Exemples de nom de CI :


Technologie TTL :


7400 -> Quadruple porte NON - ET à 2 entrées
7402 -> Quadruple porte NON - OU à 2 entrées
7404 -> 6 portes inverseuses
7408 -> Quadruple porte ET à 2 entrées
7413 -> Double porte NON - ET à 4 entrées
7420 -> Double porte NON - ET à 4 entrées
7428 -> Quadruple porte NOR à 2 entrées
7430 -> Porte NON - ET à 8 entrées
7442 -> Décodeur décimal BCD
7448 -> Décodeur BCD 7 segments
7470 -> Flip-Flop JK à 2 x 3 entrées
7482 -> Additionneur complet à 2 bits
7486 -> Quadruple porte OU Exclusif
7493 -> Compteur binaire
74121 -> Monostable
Etc ...


Technologie CMOS :


4001 -> Quadruple porte NON - OU à 2 entrées
4008 -> Additionneur 4 bits avec retenue
4011 -> Quadruple porte NON - ET
4016 -> Quadruple interrupteur bidirectionnel
4023 -> Triple porte NON - ET à 3 entrées
4030 -> Quadruple porte OU – EXCLUSIF
4047 -> Monostable
4054 -> Driver pour afficheur 4 segments LCD
4068 -> Porte NON - ET à 8 entrées
4070 -> Quadruple porte OU – EXCLUSIF
4071 -> Quadruple porte OU à 2 entrées
4081 -> Quadruple porte ET à 2 entrées
4098 -> Double monostable re-déclenchable
4518 -> Double compteur décimal
4721 -> Mémoire vive 1 024 bits (256 x 4)
40195 -> Registre à décalage universel 4 bits
Etc...


Image IPBVoila la fin de ce tuto !
N'hésitez pas à poster vos questions sur le forum !!!



4Aklisme
Voilà la fin de ce tutoriel !


[Composant] Le NE555

Publié 4Aklisme le 04 juin 2008 - 05:54 in Electronique

Introduction


Ce tuto va vous faire découvrir un composant : Le NE555.
Vous allez découvrir ce qui se cache derrière ce nom et deux montages de base de ce composant.



Présentation


1-a : Brève Histoire du NE555 :

Image IPB

Le NE555 est un circuit intégré utilisé pour gérer des temps (temporisation, etc...). Il a été créé en 1970 par Hans R. Camenzind et commercialisé en 1971 par Signetics. De nos jours, ce composant est encore très utilisé, car il est simple d'utilisation (idéal dans un but pédagogique) et peu coûteux. Aujourd'hui, la version CMOS de ce circuit est très employée (tel que le MC1455 de Motorola) , cependant il y a eu beaucoup d'améliorations et variations du circuit. Mais malgré les variantes, tous les types sont compatibles entre eux au niveau du brochage.

Plusieurs fabricants réalisent ce circuit sous des appellations différentes dont en voici quelques une :

Motorola -> MC1455
Fairchild -> NE555
Philips -> NE555D
Texas instruments -> SN52555
National -> LM555C

Voici les principales caractéristiques de ce composant :
  • Fonctionne sous des tensions d'alimentation de 4,5V à 16V (compatible TTL).
  • Fréquence max 2 MHz.
  • Stabilité en température 0,005 % par °C.
  • Intensité maximale de sortie de 200 mA.
1-b : Symbole, schéma interne, brochage :

J'ai pour habitude de noter le NE555 de cette façon dans mes schémas (mais il existe d'autres façons de présenter des broches...)

Symbole du NE555 :

Image IPB

Le NE555 contient en fait environ 23 transistors, 2 diodes et environ 16 résistances qui, une fois associés, composent ce schéma (Schéma interne du NE555) :

Image IPB

Voici le brochage du boitier du NE555 :

Image IPB

Description des broches :
  • GND : Masse du boîtier.
  • TRIG : (déclenchement) Commande l'état de sortie. Amorce la temporisation.
  • OUT : Sortie du boîtier.
  • RESET : (RAZ) Remise à zéro du signal de sortie. Stoppe la temporisation.
  • CONT : (référence) Tension de référence. (2/3 de VCC).
  • THRES : (seuil) Commande l'état de sortie. Signalle la fin de la temporisation lorsque la tension dépasse 2/3 de VCC
  • DISCH : (décharge) Décharge le condensateur de temporisation.
  • VCC : Alimentation du boîtier.
1-c : Principe de fonctionnement (en bref) :

Les trois résistances internes au NE555 font un pont diviseur de tension qui permet d'obtenir les tensions 2/3 et 1/3 de VCC, servant de tension de référence pour les 2 comparateurs.

4 cas se présentent à nous :
  • RESET est à un niveau bas : La bascule est remise à zéro et la sortie est au niveau bas.
  • TRIG < à 1/3 de VCC : la bascule est activée (SET) et la sortie est à un niveau haut.
  • THRES > à 2/3 de VCC : la bascule est remise à zéro (RESET) et la sortie est à un niveau bas.
  • THRES < à 2/3 de VCC et TRIG > à 1/3 de VCC : La sortie conserve son état précédent.
Table de vérité :

Image IPB




Montage en Monostable



Petite explication sur le terme monostable :

Un montage monostable signifie que la sortie du montage reste à un niveau logique quand il ne se passe rien sur son entrée de commande. Mais lorsque que l'on met une impulsion sur son entrée de commande, la sortie passe à l'état logique opposé, pendant un temps déterminé (T1).

Exemple quelconque :


Image IPB

2-a : Montage en monostable non re-déclenchable :

Image IPB

Image IPB

La sortie est à '1' pendant un temps 't1', quand on applique une impulsion négative sur l'entrée.
La durée 't1' est déterminée par R1 et C1, dont voici la formule :

Image IPB

Image IPBQuand vous faites les calculs, gardez à l'esprit que les composants ont une certaine tolérance (5% pour les résistances, 10% pour les condensateurs...)

Ce montage est non re-déclenchable car si pendant le temps t1 il y a une nouvelle impulsion en entrée, le temps 't1' ne reprend pas à zéro.

2-a : Montage en monostable re-déclenchable :

Image IPB

Image IPB

La différence avec le montage en monostable non re-déclenchable est que la broche 4 (RESET) est reliée à la broche 2 (TRIG).

La sortie est à '1' pendant un temps 't1', quand on applique une impulsion négative sur l'entrée.
La durée 't1' est déterminée par R1 et C1, dont voici la formule :

Image IPB

Quand vous faites les calculs, gardez à l'esprit que les composants ont une certaine tolérance (5% pour les résistances, 10% pour les condensateurs...)[/color]

Ce montage est re-déclenchable car si pendant le temps 't1' il y a une nouvelle impulsion en l'entrée, le temps t1 reprend à zéro.




Montage en Astable


Petite explication sur le terme astable :

On dit qu'un signal est astable quand celui-ci passe en permanence d'un état logique '1' à un état logique '0'.
Exemple : un signal carré.


Schéma du montage du NE555 en astable :

Image IPB

Image IPB

Grâce à ce montage on va pouvoir générer des créneaux dont on pourra modifier la fréquence ainsi que les temps t1 et t2 correspondant au temps à l'état bas et haut.

t1= temps à l'état bas = Image IPB
t2= temps à l'état haut = Image IPB

Image IPB
Donc
fréquence = Image IPB

et donc :
rapport cyclique = Image IPB

Image IPBQuand vous faites les calculs, gardez à l'esprit que les composants ont une certaine tolérance (5% pour les résistances, 10% pour les condensateurs...)

4 – Exemple d'utilisation : Faire clignoter deux LEDs :

Le montage que je vous propose permet de faire clignoter deux LEDs à une vitesse que l'on choisit en tournant un potentiomètre.
Ce montage fonctionne à l'aide d'une pile 9V.

4-a : Schéma du montage :

Image IPB

4-b : Liste des composants :

Image IPB

4-c : Fonctionnement et explications :

Le NE555 est utilisé en astable.
C'est à dire qu'il va nous fournir un signal carré 0V – 9V.

Donc, quand la sortie OUT sera à 9V, la LED D2 aura une tension positive à ses bornes et sera allumée, tandis que la LED D1 sera éteinte car alimentée en inverse.
Par contre, quand OUT sera à 0V, la LED D1 aura une tension positive à ses bornes et sera allumée tandis que la LED D2 sera éteinte car alimentée en inverse.

Voyons à quelle fréquence peut-on faire clignoter les LEDs :

Rappel de la formule de la fréquence pour le NE555 en montage en astable :
fréquence = Image IPB
Dans le schéma, C2 correspond au C1 des formules !!!


Pour P1 = 0 (minimum) :
Image IPB
Pour P1 = 50 Kohm (maximum) :
Image IPB
Image IPB

Donc en faisant varier P1 de son minimum à son maximum on pourra faire varier la fréquence de clignotement des LEDs entre 1,26 Hz (environ) à 9,86 Hz (environ).

Image IPBJe dit "environ" car les condensateurs et les résistances ont une tolérance pour leur valeur...

Voici la fin de ce tutoriel, j'espère que celui-ci vous sera utile !
Si vous avez des questions, n'hésitez pas à les poser sur le forum !