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J'ai tout compris !

Mis à jour le 01/10/2019

Implémentez une porte logique à base de transistors MOS

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Les circuits électroniques, que vous connaissez certainement sous le nom de « puces électroniques », sont vos alliés au quotidien. La plupart des objets que vous utilisez comme vos smartphones, montres connectées, ordinateurs, consoles de jeux, téléviseurs, scooters, voitures, sont remplis de microprocesseurs, circuits mémoires, circuits radiofréquence, circuits numériques…

Exemple de carte électronique
Exemple de carte électronique

Mais que renferment ces drôles de boîtiers noirs que l’on trouve sur les cartes électroniques ?

Il existe une grande variété de boîtiers. Ils diffèrent par leur technologie, leur taille, la géométrie et le nombre de broches d’entrées/sorties disponibles. Ils contiennent tous un ou plusieurs circuits intégrés (ou puces électroniques, si vous préférez).

Différents types de boitiers
Différents types de boîtiers

Mais que renferment les circuits intégrés que l’on trouve dans ces boîtiers ?

La brique de base du circuit intégré est le transistor. C’est un circuit actif dont nous examinerons le comportement dans la section suivante. On y trouve aussi des capacités, des résistances, des inductances, des diodes et des interconnexions.

Du boîtier aux transistors
Du boîtier aux transistors

Un brin d’histoire

La technologie CMOS (Complementary Metal-Oxyde-Semiconducteur) joue un rôle prédominant dans l’industrie du circuit intégré. Cette technologie n’est pas nouvelle.

Le transistor MOS a été inventé par J. Lilienfeld en 1925 et une structure semblable au MOS actuel fut proposée en 1935 par O. Heil.

En 1948, John Bardeen, Walter Brattain et William Shockley, trois physiciens américains, inventent un autre type de transistor : le transistor bipolaire. Pendant plusieurs années, le transistor bipolaire a prédominé sur le transistor MOS jusqu’à l’apparition du procédé de silicium planaire, dans les années 60, qui a permis d’assembler plusieurs transistors sur un même substrat.

Aujourd'hui le transistor MOS constitue, par sa simplicité de fabrication et ses performances, l'élément de base des circuits intégrés.

Les transistors MOS

Le transistor MOS est un composant actif ayant 3 broches principales nommées Gate (appelée Grille en français), Drain et Source.

Pour des applications numériques, il fonctionne comme un interrupteur commandé par la Grille et permettant au courant de passer de la Source vers le Drain. Il est soit en mode ON (le courant circule de la Source vers le Drain) soit en mode OFF (aucun courant ne circule dans le transistor).
Il existe deux types de transistors : le NMOS et le PMOS.

Leur différence réside dans leur fabrication, notamment la manière dont les matériaux semi-conducteurs sont exploités. Nous nous contentons ici de décrire leur fonctionnement simplifié pour une utilisation dans le monde du numérique.

Du boîtier aux transistors
Du boîtier aux transistors

La technologie CMOS

La technologie CMOS (Complementary MOS) est aujourd’hui la plus répandue, en particulier pour la conception de circuits numériques. Elle se caractérise par l’utilisation, sur un même substrat de silicium, de transistors NMOS et PMOS assemblés de manière complémentaire.

Exemples circuits logiques en technologie CMOS
Exemples circuits logiques en technologie CMOS

Cette technologie permet de réaliser simplement l’ensemble des fonctions logiques que l’on retrouve à la base des circuits numériques. Vous comprendrez dans la suite de ce chapitre comment assembler des transistors PMOS et NMOS pour réaliser les fonctions logiques les plus répandues.

L’inverseur CMOS

L’inverseur est probablement la porte logique la plus simple et la plus utilisée dans la conception de circuits numériques.

L’inverseur CMOS est constitué de deux transistors, un NMOS et un PMOS, connectés en série entre l’alimentation qui constitue le 1 logique et la masse qui représente le 0 logique.

L'inverseur : du symbole à son implémentation
L'inverseur : du symbole à son implémentation
Fonctionnement de l'inverseur
Fonctionnement de l'inverseur
  • lorsque l'entrée de l'inverseur est au niveau logique Bas (0), seul le transistor PMOS est passant. Un courant circule de l'alimentation VDD vers la sortie OUT et charge la capacité de sortie. La tension de sortie aux bornes de la capacité équivaut alors à un niveau logique haut (1) ;

  • lorsque l'entrée de l'inverseur est au niveau logique haut (1), seul le transistor NMOS est passant. Le courant se décharge de la capacité de sortie vers la masse et la tension aux bornes de la capacité diminue jusqu’à atteindre le niveau logique bas (0).

La porte NAND à deux entrées

Vous avez découvert la porte NAND à deux entrées dans le chapitre 1 de la partie 3.

On peut simplement implémenter cette fonction logique grâce à 4 transistors.

Implementation de la porte NAND
Implémentation de la porte NAND

Savez-vous comment cela fonctionne ?

La porte NAND (Source : INSA) :

La porte NOR à deux entrées

Vous avez découvert la porte NOR à deux entrées dans le chapitre 1 de la partie 3.

On peut simplement implémenter cette fonction logique grâce à 4 transistors.

Implémentation de la porte NOR
Implémentation de la porte NOR

Savez-vous comment cela fonctionne ?

La porte NOR (Source : INSA) :

Les portes NAND et NOR à trois entrées

 Vous avez découvert les portes NAND et NOR à trois entrées dans le chapitre 2 de la partie 3.
Dans le même esprit que les portes à deux entrées, celles à trois entrées sont composées de 3 transistors PMOS et trois transistors NMOS connectés en parallèle ou en série, comme indiqué sur la figure suivante.

Schéma au niveau transistors de la NAND et la NOR à 3 entrées
Schéma au niveau transistors de la NAND et la NOR à 3 entrées

Les portes AND et OR

Les porte AND et OR requièrent, étrangement, plus de transistors que les portes NAND ou NOR. En effet, vous remarquerez sur les schémas ci-dessous, que chacune de ces portes contient 6 transistors.
La porte AND est composée d’une porte NAND suivie d’un inverseur.
La porte OR est composée d’une porte NOR suivie d’un inverseur. 

Implémentation de la porte AND
Implémentation de la porte AND
Implémentation de la porte OR
Implémentation de la porte OR

La porte XOR

Vous avez découvert la porte XOR à deux entrées dans le chapitre 1 de la partie 3. Il existe plusieurs façons d’implémenter cette porte à base de transistors MOS.

La porte XOR
La porte XOR

En partant simplement de la table de vérité, on peut traduire l’équation logique

en un assemblage de portes logiques (2 inverseurs, 2 AND et 1 OR) qui nous conduit à un circuit à 22 transistors (11 NMOS et 11 PMOS).

Si vous souhaitez économiser un nombre important de transistors, la structure la plus économe sera celle à 6 transistors. Malheureusement, cette économie se fera au détriment de la qualité des signaux de sortie. En effet, avec un simulateur analogique, vous remarquerez que vos signaux n’atteignent pas de bons niveaux logiques.

2 possibilités d'implémentation de la porte XOR
2 possibilités d'implémentation de la porte XOR

 Exercice : je vous invite à tester ces implémentations avec DSCH.

En résumé

Tester des circuits réels suppose un laboratoire équipé dont vous ne disposez pas à priori. Pourtant, nous allons tout de même faire tourner de tels circuits, mais en simulation. Le chapitre suivant va nous introduire à la simulation, par l'intermédiaire d'un logiciel que vous pourrez télécharger librement : DSCH.

Exemple de certificat de réussite
Exemple de certificat de réussite