Les IC logiques numériques

Les tampon numérique, les portes logiques et les IC logiques

Un IC peut être décrit comme un circuit électronique complet ou un « bloc de construction électronique », intégré dans une ou plusieurs tranches semi-conductrices (ou « puces ») et encapsulé dans un petit boîtier multibroches.

Un circuit intégré peut être rendu entièrement fonctionnel en le connectant à une alimentation appropriée et en connectant diverses broches aux réseaux externes d'entrée, de sortie et auxiliaires appropriés.

Les circuits intégrés se présentent sous des formes « linéaires » et « numériques ».

Les circuits intégrés linéaires sont largement utilisés comme préamplificateurs, amplificateurs de puissance, oscillateurs et processeurs de signaux, etc., et fournissent une sortie de base directement proportionnelle à l'amplitude (valeur analogique) du signal d'entrée, qui lui-même peut avoir n'importe quelle valeur, valeur comprise entre zéro et une limite maximale prescrite.

L'un des types les plus simples d'éléments IC linéaires est le tampon de gain unitaire.

Si un signal sinusoïdal important est connecté à l'entrée de ce circuit, il produit une sortie à faible impédance de forme et d'amplitude presque identiques, comme le montre la figure 1 (a).

Les circuits intégrés numériques, en revanche, sont effectivement aveugles aux amplitudes précises de leurs signaux d'entrée et les reconnaissent simplement comme étant dans un état bas ou haut (généralement appelés états logique 0 et logique 1, respectivement).

De même, leurs sorties n'ont que deux états de base, soit bas, soit haut (logique 0 ou logique 1).

Un type simple d'élément IC numérique est le tampon non inverseur.

Si un signal sinusoïdal important est connecté à l'entrée de ce circuit, il produit une sortie qui (idéalement) est de forme purement numérique, comme le montre la figure (b).

Lorsqu'une grande onde sinusoïdale d'entrée est envoyée à l'entrée d'un tampon linéaire (a), elle produit une sortie sinusoïdale, mais lorsqu'elle est introduite à l'entrée d'un tampon numérique (b), elle produit une sortie purement numérique.

Les circuits intégrés numériques sont disponibles dans une variété de catégories assez vaguement définies telles que les circuits intégrés de mémoire, les circuits intégrés électroniques à ligne à retard et les circuits intégrés de support de microprocesseur, etc., mais la catégorie la plus largement utilisée est celle connue sous le nom de type « logique », dans laquelle les circuits intégrés sont conçus autour de circuits logiques assez simples tels que des tampons numériques, des inverseurs, des portes ou des éléments  flip-flop.

Les circuits logiques numériques se présentent sous différents types de base et peuvent être construits à l'aide de diverses technologies discrètes ou intégrées.

Les figures ci-dessous montrent une sélection de circuits logiques très simples conçus autour de composants discrets.

La figure 2 (a) montre un simple tampon numérique inverseur (également connu sous le nom de porte logique NON), constitué d'un transistor non polarisé câblé en mode émetteur commun, et la figure 2 (b) montre le symbole international utilisé pour le représenter.

Circuit (a), symbole (b) et table de vérité (c) d'un simple tampon numérique inverseur.

Figure 2 A

Figure 2 B Figure 2 C Input 1 Out 2 0 1 1 0

La pointe de la flèche indique la direction du flux du signal et le petit cercle sur la sortie du symbole indique l'action d'inversion.

La figure 3 (a) montre un simple tampon numérique non inverseur, constitué d'une paire d'étages de transistor à émetteur commun (inverseur) à couplage direct.

La figure 3 (b) montre le symbole international en forme de flèche utilisé pour le représenter.

La figure 3 (c) montre la table de vérité qui décrit son action, par exemple, la sortie est à 0 logique lorsque l'entrée est à 0 logique, et est à 1 logique lorsque l'entrée est à 1 logique.

Circuit (a), symbole (b) et table de vérité (c) d'un tampon numérique non inverseur

Figure 3 A

Figure 3 B Figure 3 C Input 1 Out 2 0 0 1 1

En électronique numérique, une « porte » est un circuit logique qui ouvre ou donne une sortie (généralement définie comme un état haut ou logique 1) uniquement sous un certain ensemble de conditions d'entrée.

La figure 4 (a) montre une simple porte OU (OR) à deux entrées, composée de deux diodes et d'une résistance, et la figure 4 (b) montre le symbole international utilisé pour la représenter.

La figure 4 (c) montre sa table de vérité (dans laquelle les entrées sont appelées A ou B). Notez que la sortie passe au logique 1 si A ou B passe au logique 1.

Porte OU / OR Gate
Figure 4 (a) à 2 entrées with 2 inputs	à 3 entrées with 3 inputs	à 4 entrées with 4 inputs
Figure 4 (b)	Figure 4 (C) Input 1 Input 2 Output 3 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

La figure 5 montre le circuit, le symbole et la table de vérité d'une porte NOR (OU à sortie négative) à deux entrées, dans laquelle la sortie est inversée (comme indiqué par le cercle de sortie) et passe au zéro logique si l'une des entrées passe au niveau haut.

Figure 5 Circuit (a), symbole (b) et table de vérité (c) d'une porte NON-OU (NOR) à deux entrées.

(a)

(b)

(c) Input 1 Input 2 Output 3 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0

La figure 6(a) montre une simple porte ET (AND) à deux entrées, composée de deux diodes et d'une résistance, et la figure 6(b) montre son symbole international standard.

La figure 6 (c) montre la table de vérité de la porte ET, qui indique que la sortie passe au niveau logique 1 uniquement si les entrées A et B sont au niveau logique 1.

FIGURE 6. Circuit (a), symbole (b) et table de vérité (c) d'une simple porte ET à deux entrées.

Porte ET / And Gate (a)  2 entrées with 2 inputs à 3 entrées with 3 inputs à 4 entrées with 4 inputs
(b)	(c) Input 1 Input 2 Output 3 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

Enfin, la figure 7 montre le circuit, le symbole et la table de vérité d'une porte NAND (ET à sortie négative) à deux entrées, dans laquelle la sortie est inversée (comme indiqué par le cercle de sortie) et passe au 0 logique uniquement si les deux les entrées sont au niveau logique 1.

FIGURE 7. Circuit (a), symbole (b) et table de vérité (c) d'une porte NAND à deux entrées.

(a) NAND DTL (b)

(c) Input 1 Input 2 Output 3 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0

Notez que bien que les quatre types de base de circuits de portes logiques décrits ici soient chacun représentés avec seulement deux bornes d'entrée, ils peuvent, en fait, être conçus ou utilisés pour accepter n'importe quel nombre souhaité d'entrées, et peuvent être utilisés pour effectuer une variété de tâches simples d'opérations logiques.

De nombreux types de tampons et de portes numériques sont facilement disponibles sous forme de circuits intégrés, tout comme de nombreux autres circuits logiques numériques, notamment les flip-flops,, les verrous, les registres à décalage, les compteurs, les sélecteurs de données, les codeurs et les décodeurs.

Les circuits intégrés numériques peuvent aller de dispositifs logiques relativement simples — abritant l'équivalent de quelques portes ou tampons de base — à des dispositifs incroyablement complexes abritant l'équivalent de dizaines de milliers de portes interconnectées, etc.

Par convention, les termes généraux suivants sont utilisés pour décrire la densité ou la complexité relative de l’intégration :

SSI (Small Scale Integration) — Niveau de complexité compris entre une et 10 portes.

MSI (Medium Scale Integration) — Niveau de complexité compris entre 10 et 100 portes.

LSI (Large Scale Integration) — Niveau de complexité compris entre 100 et 1 000 portes.

VLSI (Very Large Scale Integration) — Niveau de complexité compris entre 1 000 et 10 000 portes.

SLSI (Super Large Scale Integration) — Niveau de complexité compris entre 10 000 et 100 000 portes.

Notez que la plupart des circuits intégrés logiques des types décrits dans cette section ont des niveaux de complexité allant de quatre à 400 portes et sont donc des dispositifs SSI, MSI ou LSI.

En termes généraux, la plupart des circuits intégrés à microprocesseur et des circuits intégrés à mémoire de taille moyenne sont des dispositifs VLSI, tandis que les circuits intégrés à grande RAM dynamique (mémoire vive) sont des dispositifs SLSI.