Quelles sont les différences fondamentales existantes entre les TTL et les CMOS ? Pourquoi la tension d'alimentation des circuits CMOS s'appelle-t-elle VDD et VSS ? Qu'est-ce qui limite la tension d'alimentation des MOS ? Quelle origine a le courant de pointe de l'alimentation ?
Peut-on expliquer la courbe "consommation de puissance/ Fréquence de travail" ?
Que faut-il faire des entrées inutilisées ?
Qu'est-ce qui limite la vitesse des CMOS ?
A quoi servent les condensateurs de découplage ?
Quels sont les comportements bizarres des CMOS ? Qu'est-ce que le LACHT-UP ?
Qu'est-ce que le gauchissement d'horloge? Existe-t-il des circuits CMOS à drain ouvert ? Quel est le comportement des circuit CMOS face aux radiations ?
REPONSES:
Quelles sont les différences fondamentales existantes entre les TTL et les CMOS?
Le transistor MOS est un transistor à grille isolée ce qui entraîne un courant d'entrée de la porte nul contrairement au transistor bipolaire où il faut un courant de base.
Des fonctions sont réalisables seulement avec des transistors MOS comme l'interrupteur analogique 4066 ou 4016 et des fonctions sont réalisables seulement avec des transistors bipolaires ,comme la reference BandGap.
De plus, les caractéristiques des CMOS sont définies pour une large plage d'alimentation allant de 3 à 18 V et les TTL 5 V.
L'excursion des tensions de sortie s'étale en CMOS de Vss à Vdd tandis que pour les TTL la tension de sortie maximale est de 3,3 V.
L'immunité au bruit est plus importante pour les CMOS que les TTL.
Mais les transistors bipolaires permettent le passage d'une densité de courant deux fois plus importantes que les MOS.
La résistance de sortie de la famille TTL est inférieure à celle des MOS et permet donc la charge rapide des condensateurs.
Les transistors MOS nécessite une tension de grille-source importante ; environ Vgs > 1,5 V ; pour être conducteur, contrairement au transistor bipolaire où seulement 0,7 V suffit. Ceci pose un problème car la valeur du courant de source du MOS dépend de la tension Vgs (Grille Source). Ainsi, plus la tension Vgs sera importante et plus le circuit MOS sera rapide (voir NMOS).
Tout d'abord, les circuits MOS représentent 90% du marché contre 8% les TTL car il sont plus simples à réaliser et permettent une plus grande intégration des transistors MOS.
Pourquoi la tension d'alimentation des circuits CMOS s'appelle-t-elle VDD et VSS ?
La broche appelée VDD sur le circuit intégré est reliée au drain des transistors constituants les circuits intégrés et pour ne pas confondre la tension de drain des transistors MOS VD à la tension d'alimentation, la lettre D a été doublée, soit VDD.
De même, pour la source du transistor reliée à la masse, celle-ci est appelée VSS.
Qu'est-ce qui limite la tension d'alimentation ?
Une tension d'alimentation supérieure à la tension VDS maximale
d'un des transistors du circuit CMOS provoque le claquage du
transistor MOS donc le disfonctionnement du circuit intégré.
Une tension d'alimentation trop petite ne permet pas la commande
des transistors de la porte car il faut que la tension
VGS d'un MOS soit > à 1,5 V environ pour qu'il soit passant.
Quelle origine a le courant de pointe de l'alimentation ?
Le courant de pointe présent sur les lignes d'alimentation provient de la conduction simultanée des transistors N et P lors des commutations.
Plus la tension d'alimentation est importante et plus le courant de pointe sera important.
Peut-on expliquer la courbe "consommation de puissance/ Fréquence de travail" ?
La consommation de puissance est une fonction linéaire de la fréquence.
Nous avons vu ci-dessus qu'il existait un courant de pointe à chaque commutation de la porte.
Ce courant de pointe provoque la dissipation de l'énergie :
Quelles sont les différences fondamentales existantes entre les TTL et les CMOS?Le transistor MOS est un transistor à grille isolée ce qui entraîne un courant d'entrée de la porte nul contrairement au transistor bipolaire où il faut un courant de base.
Des fonctions sont réalisables seulement avec des transistors MOS comme l'interrupteur analogique 4066 ou 4016 et des fonctions sont réalisables seulement avec des transistors bipolaires ,comme la reference BandGap.
De plus, les caractéristiques des CMOS sont définies pour une large plage d'alimentation allant de 3 à 18 V et les TTL 5 V.
L'excursion des tensions de sortie s'étale en CMOS de Vss à Vdd tandis que pour les TTL la tension de sortie maximale est de 3,3 V.
L'immunité au bruit est plus importante pour les CMOS que les TTL.
Mais les transistors bipolaires permettent le passage d'une densité de courant deux fois plus importantes que les MOS.
La résistance de sortie de la famille TTL est inférieure à celle des MOS et permet donc la charge rapide des condensateurs.
Les transistors MOS nécessite une tension de grille-source importante ; environ Vgs > 1,5 V ; pour être conducteur, contrairement au transistor bipolaire où seulement 0,7 V suffit. Ceci pose un problème car la valeur du courant de source du MOS dépend de la tension Vgs (Grille Source). Ainsi, plus la tension Vgs sera importante et plus le circuit MOS sera rapide (voir NMOS).
Tout d'abord, les circuits MOS représentent 90% du marché contre 8% les TTL car il sont plus simples à réaliser et permettent une plus grande intégration des transistors MOS.
Pourquoi la tension d'alimentation des circuits CMOS s'appelle-t-elle VDD et VSS ? La broche appelée VDD sur le circuit intégré est reliée au drain des transistors constituants les circuits intégrés et pour ne pas confondre la tension de drain des transistors MOS VD à la tension d'alimentation, la lettre D a été doublée, soit VDD.
De même, pour la source du transistor reliée à la masse, celle-ci est appelée VSS.
Qu'est-ce qui limite la tension d'alimentation ? Une tension d'alimentation supérieure à la tension VDS maximale
d'un des transistors du circuit CMOS provoque le claquage du
transistor MOS donc le disfonctionnement du circuit intégré.
Une tension d'alimentation trop petite ne permet pas la commande
des transistors de la porte car il faut que la tension
VGS d'un MOS soit > à 1,5 V environ pour qu'il soit passant.
Quelle origine a le courant de pointe de l'alimentation ? Le courant de pointe présent sur les lignes d'alimentation provient de la conduction simultanée des transistors N et P lors des commutations.
Plus la tension d'alimentation est importante et plus le courant de pointe sera important.
Peut-on expliquer la courbe "consommation de puissance/ Fréquence de travail" ?La consommation de puissance est une fonction linéaire de la fréquence.
Ce courant de pointe provoque la dissipation de l'énergie :
W = VDD.Ipointe.t avec t le temps de présence de la pointe.
Donc, plus la porte va commuter et plus l'énergie consommée sera importante donc la puissance dissipée sera importante.
Que faut-il faire des entrées inutilisées ?
Il ne faut surtout pas les laisser en l'air.
En effet une quantité de charge trés faible peut changer l'état du transistor MOS.
Donc, plus la porte va commuter et plus l'énergie consommée sera importante donc la puissance dissipée sera importante.
Que faut-il faire des entrées inutilisées ?
Il ne faut surtout pas les laisser en l'air.
En effet une quantité de charge trés faible peut changer l'état du transistor MOS.
Vi = Q/C
avec Vi tension d'entrée de la porte
Q la quantité de charge accumulée sur la grille
C la capacité grille-source.
En approchant des objets ou un doigt de la grille, la capacité équivalente grille-source change alors Vi change ce qui provoque la commutation de la porte.
La porte CMOS va basculer tous le temps et provoquer des appels de courant sur la ligne. Ceci aura pour conséquence de perturber le fonctionnement correcte des autres portes.
De plus, si la tension d'entrée de la porte est à Vdd/2 environ alors les 2 transistors (canal N et P) vont conduire provoquant la circulation d'un courant d'alimentation constant.
Le circuit va s'échauffer anormalement.
Qu'est-ce qui limite la vitesse des CMOS ?
Le temps de propagation dépend de plusieurs grandeurs comme la température, la tension d'alimentation et la charge capacitive en sortie.
Le temps de propagation d'une porte se décompose en un temps de fonctionnement de la porte et un temps de charge des capacités de sortie, le temps le plus important étant le temps de charge des capacité extérieures.
- Plus la température augmente et plus le temps de propagation augmente car le courant de charge des capacité est le courant de drain du transistor MOS dépendant de Vgs et la température.
- Plus la tension d'alimentation augmente et plus le temps de propagation est diminué. En effet, la tension d'entrée Vi, qui est égale à Vdd à l'état haut, augmente et donc Vgs du transistor augmente donc le courant de sortie Io.
Ainsi, la charge des capacités parasites est plus rapide.
Néanmoins, la puissance dissipée par le circuit va augmenter aussi:
P = K . VddČ . F
avec K une constante
et F la fréquence.
- Les charges capacitives diminue le temps de propagation car la constante de temps de charge augmente. Il faudra éviter de commander plusieurs entrées en parallèles car la capacité à charger augmente.
A quoi servent les condensateurs de découplage ?
Un des ennemis de la commutation rapide de la sortie du circuit logique est la ligne d'alimentation.
En effet, une ligne d'alimentation (fil) à le comportement électrique d'une bobine.
Nous savons qu'une bobine s'oppose aux variations brusques du courant.
A cause de ce phénomène, la sortie de la porte ne peut pas commuter rapidement.
Pour palier ce problème, il faut placer au plus proche des bornes d'alimentations de la porte un condensateur. Pour voir le schéma passez le curseur de la souris sur l'image.
Celui-ci se comporte comme un réservoir d'énergie qui fournira le courant nécessaire à une commutation rapide de la sortie de la porte.
Lorsque la porte va commuter, un brusque appel de courant provenant de la porte va avoir lieu.
Le condensateur va alors fournir l'énergie nécessaire à une commutation rapide de la porte.
Quels sont les comportements bizarres des CMOS ?
Un des comportement bizarre des circuit CMOS est l'autoalimentation:
Lorsque le circuit n'est pas alimenté et que nous appliquons un signal à l'entrée d'une porte, nous constatons que le circuit remplit sa fonction malgré le manque d'alimentation.
Que se passe-t-il ?
En appliquant une tension en entrée, nous provoquons la conduction de la diode de protection de l'étage d'entré du circuit logique. La capacité de découplage se charge et alimente alors le circuit.
Qu'est-ce que le LACHT-UP ?
Le latch-up n'est plus vraiment d'actualité car ce probléme
n'est plus vraiment présent sur les structures actuelles.
Le latch-up a pour origine une structure parasite
apparaissant à la construction du circuit intégré.
Cette structure parasite composée des jonctions N et P
des transistors MOS forment un thyristor entre Vdd et Vss.
Nous n'avons pas de mal à imaginer ce qui se passe si le thyristor se déclenche, il court-circuite l'alimentation et cause des dégâts (thermiques) irréversibles sur le circuit intégré.
Ce cas se présente si la tension de sortie dépasse Vdd.
Notons toutefois qu'une autre structure à thyristor existe en entrée de la porte à cause des diodes d'entrée.
Ainsi, si la tension d'entrée Vi dépasse Vdd ou passe en dessous de Vss alors le thyristor court-circuite l'alimentation.
Pour éviter que le thyristor parasite se déclenche, il faut augmenter le courant de déclenchement, c'est ce qui est fait avec l'anneau de garde sur un circuit CMOS.
Qu'est-ce que le gauchissement d'horloge?
Le gauchissement d'horloge à pour origine les seuils différents d'entrée des circuits CMOS.
Le seuil d'entrée des circuit MOS est défini entre VDD/3 et 2.VDD/3.
Pour expliquer le problème engendré par le gauchissement d'horloge nous allons prendre un exemple.
Prenons deux bascules, D et 4013, montées en registre à décalage.
La première bascule mémorise l'état logique présent sur son entrée à chaque coup d'horloge.
La seconde bascule échantillonne la sortie de la première bascule.
A chaque front d'horloge, l'état logique d'entrée est décalé.
Mais voilà, comme le front d'horloge est lent, si le seuil d'entrée
de la première bascule est à VDD/3 alors la sortie va changer d'état avant que la seconde bascule, ayant un seuil de basculement de 2VDD/3, ait échantillonné l'état précédent.
Donc, le registre à décalage ne fonctionne pas.
Existe-t-il des circuits CMOS à drain ouvert ?
En logique TTL, il existe des circuits à collecteur ouvert.
Ils permettent la commande de système fonctionnant à des tensions supérieures à l'alimentation 5V.
Lorsque le transistor bipolaire est passant, la charge R est soumise à une tension de 15 V.
Lorsque le transistor bipolaire est bloqué, aucun courant
ne traverse la charge et la tension aux bornes de R est nulle.
La famille CMOS pose problème car, par construction, les circuits CMOS
disposent d'une diode parasite reliant la sortie à l'alimentation du circuit intégré.
Lorsque le transistor sera bloqué, un courant traversera la charge R.
Il n'est donc plus question de commander un système
sous une tension supérieure à l'alimentation car la diode va conduire.
Quel est le
comportement des circuits CMOS face aux radiations ?
Les radiations vont modifier considérablement les caractéristiques
des transistors MOS composants le circuit intégré
et affecter les performances.
Les rayonnements ionisants proviennent des rayons X,
gamma, cosmique, des particules chargées et des neutrons.
Les rayons et les particules lourdes vont provoquer l'ionisation
de la structure isolante de la grille du transistor.
Il va y avoir création de paires électrons-trous.
Sous l'effet d'une tension appliquée, les électrons vont se déplacer
facilement jusqu'à la grille.
Les trous vont se déplacer lentement et être piégés par des défauts de la structure comme vous pouvez le voir en passant le curseur de la souris sur le dessin ci-dessous.
Ainsi, la création du canal N se fera plus facilement.
Il en résulte une diminution de la tension de seuil de commutation de la porte voire la conduction permanente des transistors.
Notons que ceci peut provoquer le changement d'état des transistors et altérer le contenu des mémoires.
Ce qui est d'une gravité extrême pour les systèmes à microprocesseurs.
Il existe des composants durcis où l'isolant de la grille est durci. Ils sont capables de travailler en milieux hostiles pour l'homme comme dans l'espace ou au coeur des centrales nucléaires.
avec Vi tension d'entrée de la porte
Q la quantité de charge accumulée sur la grille
C la capacité grille-source.
En approchant des objets ou un doigt de la grille, la capacité équivalente grille-source change alors Vi change ce qui provoque la commutation de la porte.
La porte CMOS va basculer tous le temps et provoquer des appels de courant sur la ligne. Ceci aura pour conséquence de perturber le fonctionnement correcte des autres portes.
De plus, si la tension d'entrée de la porte est à Vdd/2 environ alors les 2 transistors (canal N et P) vont conduire provoquant la circulation d'un courant d'alimentation constant.
Le circuit va s'échauffer anormalement.
Qu'est-ce qui limite la vitesse des CMOS ? Le temps de propagation dépend de plusieurs grandeurs comme la température, la tension d'alimentation et la charge capacitive en sortie.
Le temps de propagation d'une porte se décompose en un temps de fonctionnement de la porte et un temps de charge des capacités de sortie, le temps le plus important étant le temps de charge des capacité extérieures.
- Plus la température augmente et plus le temps de propagation augmente car le courant de charge des capacité est le courant de drain du transistor MOS dépendant de Vgs et la température.
- Plus la tension d'alimentation augmente et plus le temps de propagation est diminué. En effet, la tension d'entrée Vi, qui est égale à Vdd à l'état haut, augmente et donc Vgs du transistor augmente donc le courant de sortie Io.
Ainsi, la charge des capacités parasites est plus rapide.
Néanmoins, la puissance dissipée par le circuit va augmenter aussi:
P = K . VddČ . F
avec K une constante
et F la fréquence.
- Les charges capacitives diminue le temps de propagation car la constante de temps de charge augmente. Il faudra éviter de commander plusieurs entrées en parallèles car la capacité à charger augmente.
A quoi servent les condensateurs de découplage ? Un des ennemis de la commutation rapide de la sortie du circuit logique est la ligne d'alimentation.
En effet, une ligne d'alimentation (fil) à le comportement électrique d'une bobine.
Nous savons qu'une bobine s'oppose aux variations brusques du courant.
A cause de ce phénomène, la sortie de la porte ne peut pas commuter rapidement.
Lorsque la porte va commuter, un brusque appel de courant provenant de la porte va avoir lieu.
Le condensateur va alors fournir l'énergie nécessaire à une commutation rapide de la porte.
Quels sont les comportements bizarres des CMOS ? Un des comportement bizarre des circuit CMOS est l'autoalimentation:
Lorsque le circuit n'est pas alimenté et que nous appliquons un signal à l'entrée d'une porte, nous constatons que le circuit remplit sa fonction malgré le manque d'alimentation.
Que se passe-t-il ?
En appliquant une tension en entrée, nous provoquons la conduction de la diode de protection de l'étage d'entré du circuit logique. La capacité de découplage se charge et alimente alors le circuit.
Qu'est-ce que le LACHT-UP ? Le latch-up n'est plus vraiment d'actualité car ce probléme
n'est plus vraiment présent sur les structures actuelles.
Le latch-up a pour origine une structure parasite
apparaissant à la construction du circuit intégré.
Cette structure parasite composée des jonctions N et P
des transistors MOS forment un thyristor entre Vdd et Vss.
Nous n'avons pas de mal à imaginer ce qui se passe si le thyristor se déclenche, il court-circuite l'alimentation et cause des dégâts (thermiques) irréversibles sur le circuit intégré.
Ce cas se présente si la tension de sortie dépasse Vdd.
Notons toutefois qu'une autre structure à thyristor existe en entrée de la porte à cause des diodes d'entrée.
Ainsi, si la tension d'entrée Vi dépasse Vdd ou passe en dessous de Vss alors le thyristor court-circuite l'alimentation.
Pour éviter que le thyristor parasite se déclenche, il faut augmenter le courant de déclenchement, c'est ce qui est fait avec l'anneau de garde sur un circuit CMOS.
Qu'est-ce que le gauchissement d'horloge?
Le gauchissement d'horloge à pour origine les seuils différents d'entrée des circuits CMOS.
Le seuil d'entrée des circuit MOS est défini entre VDD/3 et 2.VDD/3.
Pour expliquer le problème engendré par le gauchissement d'horloge nous allons prendre un exemple.
Prenons deux bascules, D et 4013, montées en registre à décalage.
La première bascule mémorise l'état logique présent sur son entrée à chaque coup d'horloge.
La seconde bascule échantillonne la sortie de la première bascule.
A chaque front d'horloge, l'état logique d'entrée est décalé.
Mais voilà, comme le front d'horloge est lent, si le seuil d'entrée
de la première bascule est à VDD/3 alors la sortie va changer d'état avant que la seconde bascule, ayant un seuil de basculement de 2VDD/3, ait échantillonné l'état précédent.
Donc, le registre à décalage ne fonctionne pas.
Existe-t-il des circuits CMOS à drain ouvert ?En logique TTL, il existe des circuits à collecteur ouvert.
Ils permettent la commande de système fonctionnant à des tensions supérieures à l'alimentation 5V.
Lorsque le transistor bipolaire est passant, la charge R est soumise à une tension de 15 V.
Lorsque le transistor bipolaire est bloqué, aucun courant
ne traverse la charge et la tension aux bornes de R est nulle.
La famille CMOS pose problème car, par construction, les circuits CMOS
disposent d'une diode parasite reliant la sortie à l'alimentation du circuit intégré.
Lorsque le transistor sera bloqué, un courant traversera la charge R.
sous une tension supérieure à l'alimentation car la diode va conduire.
Quel est le
comportement des circuits CMOS face aux radiations ?Les radiations vont modifier considérablement les caractéristiques
des transistors MOS composants le circuit intégré
et affecter les performances.
Les rayonnements ionisants proviennent des rayons X,
gamma, cosmique, des particules chargées et des neutrons.
Les rayons et les particules lourdes vont provoquer l'ionisation
de la structure isolante de la grille du transistor.
Il va y avoir création de paires électrons-trous.
Sous l'effet d'une tension appliquée, les électrons vont se déplacer
facilement jusqu'à la grille.
Les trous vont se déplacer lentement et être piégés par des défauts de la structure comme vous pouvez le voir en passant le curseur de la souris sur le dessin ci-dessous.
Ainsi, la création du canal N se fera plus facilement.
Il en résulte une diminution de la tension de seuil de commutation de la porte voire la conduction permanente des transistors.
Notons que ceci peut provoquer le changement d'état des transistors et altérer le contenu des mémoires.
Ce qui est d'une gravité extrême pour les systèmes à microprocesseurs.
Il existe des composants durcis où l'isolant de la grille est durci. Ils sont capables de travailler en milieux hostiles pour l'homme comme dans l'espace ou au coeur des centrales nucléaires.