Présentation.
Structure interne d'une porte NAND 7400.
Fonctionnement de la porte NAND.



PRESENTATION :

        Apparue en 1965, les circuits intégrés TTL remplaceront la famille DTL . Cette technologie utilise des transistors bipolaires.
Le premier T de TTL indique que l'étage d'entrée de la porte est constitué de transistors bipolaires NPN.
Elle est basée sur une structure de 7 µm.
        La TTL dite standard est caractérisée par un temps de propagation typique de 11 ns pour une puissance consommée en statique par porte de 10 mW.
Sa tension d'alimentation est de 5 V ±5%.

Nous avons choisi pour l'étude la structure interne de la porte 7400. En effet la fonction NON-ET ou NAND est trés utilisée en électronique.

Son symbole est le suivant:




STRUCTURE INTERNE DE LA PORTE NAND 7400





FONCTIONNEMENT DE LA PORTE 74 00


      0 < VI < 0,7 V
0,7 V < VI < 1,3 V
              1,3 V < VI






.L'entrée I est au 0 logique,
l'entrée J est au 1 logique.


Nous allons supposer que l'entrée I est initialement à l'état logique 1 donc la tension de sortie Vo à l'état logique 0. Ceci implique que T4 et T2 sont saturés.

L'état logique I passe alors de l'état logique 1 à l'état logique 0

        Un courant Iil = (Vcc - VBE1)/R1 traverse la jonction base-émetteur du transistor T1 qui rend celui ci conducteur le temps d'évacuer les charges stockées dans la base de T2.

Dés que les charges stockées sont évacuées, aucun courant ne traverse les jonctions base-émetteur de T2, T4 et ceux-ci se bloquent. La base du transistor T3 étant reliée au + 5 V via la résistance R2, le transistor T3 sera passant, nous obtenons le schéma équivalent suivant:

        Seule la jonction base émetteur de T1 est passante, elle est représentée par une diode car il n'y a pas d'effet transistor. La tension de sortie Vo à vide est déterminée par les tensions aux bornes des 2 jonctions formées par la diodes D3 et l'espace B-E de T4. Nous obtenons :
Vo = Vcc-2*0,7V=3,6 V soit un niveau logique 1
.
La résistance R4 limite le courant de pointe traversant T4 et T5 lors des commutations et réduit la consommation dynamique.
C'est R4 qui fixe le courant de court-circuit, il s'exprime de la façon suivante :
Icc = Vcc/R4 = 5/130 = 38 mA




VI augmente : 0,7 V < VI < 1,3 V





Les tensions VEM et VCM du transistor T1 sont toutes deux inférieures à à la tension de base VBM, donc les deux jonctions PN vont être passantes. Nous pouvons changer le transistor T1 en 2 diodes.



En remplaçant le transistor T1 par son équivalent à diodes, nous obtenons le schéma suivant:


Iil = (VCC - VI - 0,7 V)/R1 décroît car VI croit.
VB2 = VI + VBE1 + VCB = VI + 0,7 - 0,7 donc VB2 = VI.
.
Le transistor T4 est toujours bloqué, car VB4 = VI - 0,7 < 0,6 V.
T3 est toujours passant mais Vo diminue. Vo diminue


Lorsque VI va augmenter, le courant IR2 va augmenter, le potentiel VB3 = VCC - R2.I2 va diminuer ainsi que la tension de sortie Vo car Vo = 3,6 - R2.IR2 . Nous pouvons observer ce comportement sur la caractéristique VS/VI.

ATTENTION: VI est représentée seulement de 0 à 2,5 V.




1,3 < VI





Le potentiel d'émetteur VI = VEM de T1 est > au potentiel de base VBM et de collecteur VCM de T1.
En observant la constitution du transistor T1, nous remarquons qu'il apparaît un transistor dont la jonction Base Collecteur est polarisée en directe.
Nous obtenons un nouveau transistor dont le collecteur est devenu l'émetteur.



L'émetteur fait alors office de collecteur de courant.Le B' de ce transistor inverse est trés faible B' = 0,01. En effet il dépend du rapport des dimensions de l'émetteur et de la base.
Un courant Iih = 10 µA, courant d'entrée lorsque l'entrée est à l'état logique haut, va circuler de l'émetteur au collecteur.
Ce courant à 2 origines:
- effet transistor IE1 = B.IB1 avec B = 0,01.
- effet transistor dû aux entrées du transistor T1 multi-émetteur. Il apparaît des jonctions NPN entre les différentes entrées et la base.

schéma de l'étage d'entrée :


Remarque: Le courant Iih est représenté sortant par convention et dans ce cas il est < á 0.

VB4 = 0,7 V, T4 est saturé. Vo = VCEsat de T4 = 0,2 V.
T3 se bloque car VB3 - VC4 = 0,8 V et VBE3 < 0,7 V . La présence de D3 évite la conduction de T4 lorsque la sortie est à l'état bas.