Interfaçage

Les tampon numérique, les portes logiques et les IC logiques

Un circuit d’interface est un circuit qui permet à un type de système d’être connecté de manière judicieuse à un autre type de système.

Dans un système purement TTL, dans lequel tous les circuits intégrés sont conçus pour se connecter directement entre eux, des circuits d'interface sont généralement nécessaires uniquement aux points d'entrée initiaux et de sortie finale du système, pour leur permettre de fusionner avec le monde extérieur via des éléments tels que des commutateurs, des capteurs, relais et indicateurs, etc.

Parfois, cependant, les circuits intégrés TTL peuvent être utilisés conjointement avec d'autres familles logiques (telles que CMOS), auquel cas une interface peut être nécessaire entre les différentes familles.

Ainsi, en ce qui concerne le TTL, il existe trois classes de base de circuits d'interface. Ceux-ci seront maintenant traités sous les titres d'interface d'entrée, d'interface de sortie et d'interface de famille logique.

INTERFAÇAGE D'ENTRÉE

Les signaux numériques arrivant aux entrées de tout système TTL doivent être propres avec des niveaux logiques 0 et logique 1 définis par TTL et avec des temps de montée et de descente très rapides (moins de 40 ns dans les systèmes LS TTL).

Il incombe aux circuits d'interface d'entrée de convertir les signaux d'entrée externes dans ce format. Les figures 6 à 9 montrent quelques exemples simples d'un tel circuit.

Les signaux de commutation dérivés mécaniquement sont notoirement rebondissants (voir la figure 1 dans Les circuits intégrés de la série 74) et doivent être nettoyés avant d'être envoyés à une entrée TTL normale.

La figure 6 montre un circuit d'interface d'entrée anti-rebond pratique.

FIGURE 6. Interface d'entrée anti-rebond du commutateur

Ici, C1 se charge — avec une constante de temps d'environ 10 ms — via R1-R2 lorsque S1 est ouvert et génère une sortie logique 0 via l'onduleur TTL Schmitt.

Lorsque S1 est fermé, il décharge rapidement C1 via R2, augmentant ainsi la sortie de Schmitt.

Les effets de tout signal de rebond généré par le commutateur sont éliminés par la constante de temps de 10 ms du circuit, et une forme d'onde de commutation TTL propre est ainsi disponible à la sortie de Schmitt.

La figure 7 montre un circuit qui peut être utilisé pour interfacer presque n'importe quel signal numérique propre à une entrée TTL normale.

FIGURE 7. Interface d'entrée de transistor

Ici, lorsque le signal d'entrée est inférieur à 500 mV (tension d'activation minimale de Q1), Q1 est coupé et la sortie inverseuse Schmitt TTL est à 0 logique.

Lorsque l'entrée est nettement supérieure à 600 mV, Q1 est activé et la sortie Schmitt passe au logique 1.

Notez que le signal d'entrée numérique peut avoir n'importe quelle valeur de tension maximale et que R1 est choisi pour simplement limiter le courant de base de Q1 à une valeur sûre.

La figure 8 est une simple variante du circuit ci-dessus, avec le transistor intégré dans un optocoupleur.

L'action du circuit est telle que la sortie de Schmitt est à 0 logique lorsque l'entrée de l'optocoupleur est nulle et à 1 logique lorsque l'entrée est haute. Notez que l'optocoupleur fournit une isolation électrique totale entre les signaux d'entrée et TTL.

Enfin, la figure 9 est une autre variante de circuit simple, avec le signal d'entrée numérique de base envoyé à la base de Q1 via le réseau de filtres passe-bas R1-C1-R2-C2. Ce filtre élimine les composants haute fréquence et peut ainsi convertir les signaux d'entrée très sales (comme ceux des disjoncteurs de véhicules, etc.) dans un format TTL propre.

FIGURE 9. Interface d'entrée « commutation sale »

INTERFAÇAGE DE SORTIE

La plupart des circuits intégrés TTL ont des étages de sortie totem-pole normaux, mais certains d'entre eux ont des sorties totem-pole modifiées avec un déclenchement à trois états (trois états). Quelques circuits intégrés TTL sont dotés d'étages de sortie totem-pôle à collecteur ouvert.

Notez que les sorties totem normales ne doivent pas (sauf dans quelques cas particuliers) être connectées en parallèle.

Cependant, les sorties à collecteur ouvert TTL peuvent être connectées en parallèle, et celles à trois états peuvent être connectées en parallèle dans des conditions particulières.

Les méthodes de base d'utilisation des sorties à collecteur ouvert et à trois états sont décrites dans la section Les Portes logiques.

Un étage de sortie à totem normal peut générer ou absorber des quantités utiles de courant de sortie et peut être utilisé de diverses manières pour s'interfacer avec le monde extérieur.

Quelques exemples simples de tels circuits sont présentés dans les figures 10 à 17.

La figure 10 montre quelques façons de piloter des indicateurs de sortie LED via des éléments TTL non inverseurs.

FIGURE 10. Interfaces de sortie de pilotage de LED, utilisant des éléments TTL non inverseurs

Notez qu'une sortie TTL normale peut absorber des courants de charge assez élevés (généralement jusqu'à 50 mA dans un appareil LS), mais a une capacité d'approvisionnement en sortie limitée en interne.

Ainsi, le courant de la LED doit être limité à une valeur sûre via R1 si elle est connectée comme sur la figure 10(a), mais est limité en interne sur la figure 10(b).

La figure 11 montre d'autres manières de piloter des LED, en utilisant des éléments TTL inversés.

FIGURE 11. Interfaces de sortie de pilotage de LED, utilisant des éléments TTL inverseurs

La figure 12 montre deux circuits d'interface de sortie d'entraînement de charge augmentant le courant, dans lesquels la charge utilise la même alimentation que le circuit TTL.

FIGURE 12. Interfaces de sortie augmentant le courant et pilotant la charge

Sur la figure 12 (a), le transistor NPN Q1 est coupé lorsque l'entrée de l'élément TTL non inverseur est à 0 logique, et est activé via R1 lorsque l'entrée est à 1 logique.

L'action inverse est obtenue sur la figure 12 (b), où le transistor PNP Q1 est activé via R2 lorsque l'entrée est à 0 logique, et est coupé via la résistance de rappel R1 lorsque l'entrée est à 1 logique.

La figure 13 montre deux circuits d'interface de sortie qui peuvent être utilisés pour piloter des charges utilisant des rails d'alimentation positifs indépendants.

FIGURE 13. Interface de sortie vers une charge avec un rail positif indépendant

Q1 est activé par une entrée logique 1 sur la figure 13 (a) et par une entrée logique 0 sur la figure 13 (b).

Si la charge externe est inductive (comme un relais ou un moteur), les circuits doivent être équipés de diodes de protection, comme indiqué en pointillés dans les schémas.

La figure 14 montre deux circuits d'interface de sortie optocouplés qui peuvent être utilisés pour piloter des charges utilisant des alimentations CC entièrement indépendantes.

FIGURE 14. Interface de sortie optocouplée

La charge est allumée via une entrée logique 1 sur la figure 14 (a) et par une entrée logique 0 sur la figure 14 (b).

Notez que l'entrée de l'optocoupleur (la LED) pourrait également être connectée entre le rail +5 V et la sortie TTL via une résistance de limitation de courant, en utilisant les mêmes connexions de base que sur la figure 10(a) ou la figure 11(b).

La figure 15 montre une interface de sortie qui peut être utilisée pour contrôler une lampe de faible puissance ou une charge résistive similaire qui est alimentée par des lignes électriques CA et ne consomme pas plus d'environ 100 mA de courant.

FIGURE 15. Interface de sortie vers une lampe CA basse consommation via un triac optocouplé

Ce circuit utilise un triac optocouplé. Ceux-ci nécessitent généralement un courant d'entrée LED inférieur à 15 mA et peuvent gérer des courants de charge triac allant jusqu'à environ 100 mA en moyenne (surtension de 500 mA) avec une crête allant jusqu'à 400 V.

Notez que les triacs optocouplés sont mieux utilisés pour activer un triac esclave haute puissance, qui peut ensuite piloter une charge de n'importe quelle puissance nominale souhaitée. Les figures 16 et 17 montrent deux de ces circuits.

FIGURE 16. Interface de sortie vers une charge CA non inductive haute puissance

Le circuit de la figure 16 convient à une utilisation avec des charges non inductives, telles que des lampes et des éléments chauffants.

Il peut être modifié pour être utilisé avec des charges inductives, telles que des moteurs, en utilisant les connexions de la figure 17.

FIGURE 17. Interface de sortie vers une charge inductive haute puissance

Sur la figure 17, R2-C1-R3 fournit un certain degré de déphasage au réseau de commande de porte du triac, pour garantir une action de déclenchement correcte du triac. R4-C2 forme un réseau d'amortissement pour supprimer les effets de débit.

INTERFAÇAGE DE LA FAMILLE LOGIQUE

Il est généralement déconseillé de mélanger différentes familles logiques dans n'importe quel système, mais lorsque cela se produit, le mélange est généralement effectué entre des dispositifs TTL et CMOS partageant une alimentation commune de 5 V.

Dans ce cas, la forme ou la nécessité de tout circuit d'interface dépend de la direction de l'interface et des sous-familles précises impliquées.

Les figures 18 à 21 montrent les quatre types d'agencement d'interface les plus utiles.

La sortie de n'importe quel élément TTL peut être utilisée pour piloter n'importe quel circuit intégré logique CMOS normal (y compris certains sous-membres de la série 74) en utilisant les connexions illustrées à la figure 18, dans lesquelles R1 est utilisé comme résistance de rappel TTL pour assurez-vous que le CMOS consomme un courant de repos minimal lorsque la sortie TTL est dans l'état logique 1.

FIGURE 18. Interface TTL vers CMOS

Les éléments CMOS standard des séries 4000B et 74CXX ont des sortances très faibles et ne peuvent piloter qu'un seul élément TTL ou LS TTL standard, comme le montrent les figures 19 et 20.

FIGURE 19. Interface CMOS vers Standard-TTL

FIGURE 20. Interface CMOS vers LS-TTL

En revanche, les éléments CMOS des séries 74HCXX (et 74ACXX) ont d'excellents sortances et peuvent piloter directement jusqu'à deux entrées TTL standard, 10 entrées LS TTL ou 20 entrées ALS TTL, comme le montre la figure 21.

FIGURE 21. Interface HC-CMOS vers TTL

Dans les cas où les circuits intégrés TTL et CMOS utilisent des rails d'alimentation positifs individuels (5 V pour TTL, 3-18 V pour CMOS), une interface peut être réalisée entre les deux systèmes en utilisant un transistor NPN à couplage direct comme décaleur de niveau entre eux, comme le montrent les figures 22 et 23.

Ces circuits simples peuvent nécessiter quelques affinements s'ils doivent être utilisés à des fréquences supérieures à quelques centaines de kHz.

FIGURE 22. Interface CMOS vers TTL, utilisant des rails d'alimentation positifs indépendants

FIGURE 23. Interface TTL vers CMOS, utilisant des rails d'alimentation positifs indépendants

Notons enfin que si l'élément TTL possède une sortie totem à collecteur ouvert, une interface directe peut parfois être réalisée entre la sortie TTL et l'entrée d'un élément CMOS alimenté individuellement, etc.

Les bases de cette technique seront décrit dans la section Les bases du CMOS.