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Technique - TTL/CMOS


Les premiers circuits intégrés sont sortis sur le marché dans les années 70 en technologie DTL et TTL. Cette technique avait quelques inconvénients comme nous allons le voir et les constructeurs se sont évertués à nous offrir des circuits plus rapides, plus économes, plus fiables. Visite guidée...
Avant de commencer, voyons le marquage des composants :


Identification constructeur


54 : militaire
gamme de température :
-55°C  125°C

74 : civil
gamme de température :
-40°C  85°C
Famille technologique.

(S, LS, ALS, HC, HCT etc.)
fonction réalisé par le circuit.

(NAND, OR, multiplexage etc.)
Type de boitier

(DIL etc.)

Avertissement :

Les données chiffrées ci-dessous ne sont données qu'à titre indicatif, il s'agit d'un ordre de grandeur

Quelques notions sur les niveaux hauts et bas:

Comme nous l'avons vu au chapitre précédent, nous allons faire fonctionner nos circuits avec des tensions qui provoqueront le basculement ou pas de la sortie. Les entrées vont réagir à un niveau de potentiel qui sera souvent déterminé par la technologie utilisée.
Quelques définitions :

boo12.gif (1960 octets)
  • O = Ouput - Sortie
  • I  = Input - Entrée
  • L =  Low - Bas
  • H =  high - Haut
  • Vol max = tension de sortie niveau bas maximum à 8 mA
  • Vil max = Valeur maximum du niveau bas en entrée
  • Vih min = Valeur du niveau haut minimum en entrée
  • Voh min = Tension de sortie niveau haut minimum

La famille TTL :

Technologie TTL standard

Cette famille utilise des transistors bipolaires et son nom vient de "Transistor Transistor Logic". Dans cette famille technologique, les transistors travaillent en saturation blocage. L'inconvénient majeur est que cela influe sur la rapidité de commutation et limite la fréquence d'utilisation, de plus la consommation est importante.

alimentation de propagation max
5V +/- 5%
10 ns
10 mW
25 MHz
Min Min Max Max
2,4 V
2 V
0,4 V
0,8V

boo11.gif (3327 octets)

Ci-dessus voici la structure d'une porte NAND  en technologie TTL. Remarquez le transistor à deux entrées. Remarquez également que les entrées "en l'air" vont venir tout naturellement se porter au niveau haut (-Vbe)

Technologie TTL L (Low Power)

La technologie standard se caractérise par une forte consommation de puissance sous 5V. Les constructeurs vont augmenter la valeur des résistances de manière à diminuer le courant. Ceci aura un effet induit gênant, la vitesse sera réduite
alimentation de propagation max
5V +/- 5%
30 ns
1 mW
5 MHz
Min Min Max Max
2,4 V
2 V
0,3 V
0,8V

Technologie TTL S ( Schottky)

Les transistors travaillent en saturation-blocage. Les bases des transistors accumulent des charges, lors de la saturation, qu'il faut évacuer avant de changer d'état. La solution trouvée consiste à intercaler en base et collecteur une diode Schottky qui limitera cette accumulation ce qui naturellement améliorera le temps de commutation. L'inconvénient de cette technologie est toujours une forte consommation de courant.
alimentation de propagation max
5V +/- 5%
3 ns
20 mW
75 MHz
Min Min Max Max
2,7 V
2 V
0,5 V
0,8V

Technologie TTL LS (Low Schottky)

Cette technologie utilisent des techniques du TTL L pour réduire la consommation et du TLL S pour la rapidité de commutation, car la consommation est prohibitive dès lors que le nombre de circuits intégrés augmente.
alimentation de propagation max
5V +/- 5%
9 ns
2 mW
30 MHz
Min Min Max Max
2,7 V
2 V
0,5 V
0,8V

Technologie TTL F (fast)

Le marché a besoin de circuits de plus en plus rapide, la réponse est apportée par la technologie F (fast)
alimentation de propagation max
5V +/- 5%
6 ns
5 mW
100 MHz
Min Min Max Max
2,7 V
2 V
0,5 V
0,8V

Technologies AS et ALS

La technique progresse y compris pour les transistors bipolaires, les technologies "A" pour advanced apparaissent début 1990. Dans la technologie ALS, le L est pour Low .
L'amélioration a porté sur la réduction de la taille des transistors.
alimentation de propagation
5V +/- 5%
7 ns
5 mW
Min Min Max Max
Vcc
2 V
0,4 V
0,8V

La famille CMOS :

La première famille CMOS apparue sur le marché était la série 4000. Elle se caractérisait par une consommation incroyablement faible comparativement au TTL, la tension d'alimentation comprise entre 3 et 18V laissait une incomparable liberté au concepteur mais grave inconvénient, elle était lente et incompatible avec les TTL.
Si une entrée " en l'air" d'un circuit TTL se positionne au niveau haut automatiquement, il est impératif en technologie CMOS de relier les entrées inutilisées au potentiel d'inactivation. Comme les impédances de ces portes sont très élevées, n'importe quel signal s'y développe et peut provoquer un fonctionnement erratique.

Série 4000

La première apparue suivie par la série B comme bufférisée. On change complètement de technologie puisque l'on passe des bipolaires au CMOS.
alimentation de propagation max
3  à 15 V
40 ns
0,1 mW
12 MHz
Min Min Max Max
4,9 V
2 V
0,1 V
0,8V

Séries HC et HCT

La série 74HC s'alimente entre 2 et 6V ce qui la rend compatible avec les TTL pour l'alimentation tout en conservant les qualités des MOS en regard de la consommation, de plus ce sont des séries rapides avec des temps de transit très faibles.
La série HCT a été développée plus particulièrement pour la compatibilité avec les TTL surtout pour ce qui concerne les seuils d'entrée.
Toute la série T est compatible TTL
alimentation de propagation max
5V +/- 10%
14/15 ns
0,1 mW
50 MHz
Min Min Max Max
4,9 V
3,5 V
0,1 V
0,8V

Séries AC et ACT

Ac pour "advanced CMOS" Le T indique la compatibilité avec le TTL
alimentation de propagation max
2-6 pour Ac et 6 Pour ACT
5 ns
0,1 mW
70 MHz
Min Min Max Max
4,76 V
2 V
0,44 V
0,8V

Séries LV, LVC, LVT,ALVC

LV pour "Low Voltage". Ces circuits s'alimentent avec une tension de 3,3V, cette technologie est apparue en 1993 et est compatible TTL pour les LVT.
Les AVC travaillent sous 1,8V
alimentation de propagation max
3,3 V
2,5 ns
0,1 mW
150 MHz
Min Min Max Max
2,2 V
2 V
0,55 V
0,8V

La famille ECL :


C'est une technologie rapide (Emitter coupled Logic), elle a l'inconvénient d'être grande consommatrice de courant


La famille BiCMOS :


Nous constatons la complémentarité des technologies bipolaire et CMOS. Les transistors bipolaires permettent un courant important (relativement), un CMOS a une impédance élevé d'entrée et ne consomme pas.
La technologie BiCMOS , partant de ce constat utilise des transistors bipolaires pour piloter les charges et des CMOS pour réaliser les fonctions logiques, le tout étant intégré sur un même substrat.

Tableau comparatif entre la technologie bipolaire et CMOS

Bipolaire TTL CMOS
  • tension d'alimentation stricte à 5V
  • Immunité au bruit inférieure à celle du CMOS
  • plus de courant transitant
  • basse impédance d'entrée
  • possibilité de laisser les entrées inutilisées en l'air
  • utilisation décroissante.
  • tension d'alimentation comprise entre 3 et 18V
  • Immunité au bruit > au TTL
  • pas de courant
  • Forte impédance d'entrée
  • obligation de polariser les entrées en l'air
  • Préférence des concepteurs



Quelques conseils d'utilisation :

  • Respectez les données constructeurs et la technologie employée. Un 7400 TTL pourra survivre alimenté à 8V mais pas longtemps
  • Découplez chaque alimentation de circuit intégré par un condensateur de 10 nF.
  • Veillez à alimenter vos montages à CI par une alimentation propre, exempte d'oscillations et/ou d'ondulations, ceci provoque des comportements erratiques difficilement discernables.
  • En TTL vous pouvez laisser des entrées en l'air bien que quelques résistances de tirage à la masse ou au +VCC ne coûtent pas cher, jamais en CMOS.