Ci-contre, vues de profil, de face et du dessus d'un c.i. DIL 14. Notez la position de l'encoche de repérage.
Circuits intégrés
Qu'est-ce qu'un circuit intégré?
Un circuit intégré (CI ou c.i.) est un composant qui renferme (ou "intègre") dans un unique petit boîtier, un nombre important de composants, notamment des transistors. Un microprocesseur, par exemple, en intègre plusieurs millions!
L'avantage de cette intégration poussée est triple: gain de place sur la carte, gain de temps lors du montage, et surtout, performances optimisées.
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Les circuits intégrés se
présentent, dans la grande majorité des cas, sous la
forme d'un minuscule boîtier rectangulaire noir, muni de
broches, ou pattes (pins, en anglais), de chaque
côté, d'où l'appellation DIL (Dual In Line).
Une encoche en creux permet de déterminer l'emplacement
de la broche 1, qui se trouve à gauche de cette encoche.
La broche 2 se trouve au dessous; les autres broches sont
numérotées dans le sens inverse des aiguilles d'une
montre. En principe, le nom du fabriquant et la
référence du modèle sont imprimés sur la face
supérieure du boîtier. Ci-contre, vues de profil, de face et du dessus d'un c.i. DIL 14. Notez la position de l'encoche de repérage. |
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L'évolution rapide des technologies de fabrication a engendré plusieurs générations de circuits intégrés, appartenant à des "familles" différentes et pas toujours compatibles entre elles...
La famille TTL (Transistor-Transistor Logic), l'une des plus anciennes, réclame une tension d'alimentation de 5 volts exactement. Son temps de réponse (ou de propagation) est bon: de l'ordre de 10 ns pour la version standard. En revanche, sa consommation est importante (10 mW) et sa fréquence d'utilisation ne dépasse pas 25 MHz environ.
De nombreuses variantes TTL sont ensuite apparues: la version L (low power, faible consommation), la version S (Schottky), plus rapide, la version LS (low Schottky), la version F (fast, rapide)...
Plus récente, la famille CMOS (Complementary Metal-Oxid-Semiconductor) présente des caractéristiques plus flatteuses: une tension d'alimentation généralement comprise entre 3 et 18 volts et une consommation bien moindre, de l'ordre de 0,1 mW. Les inconvénients des premiers CMOS logiques (temps de commutation assez long, fréquence limitée...) furent bientôt corrigées sur les versions HC (High Speed) et HCT (High Speed CMOS TTL compatible), qui offrent des temps de réponse très courts (15 ns) et autorisent des fréquences élevées (50 MHz). De plus, l'immunité au bruit est très bonne.
Les technologies les plus récentes (AL, AC, LV...), apparues depuis le début des années 1990, sont certes disponibles sur le marché grand public, mais encore onéreuses...
Marquage des circuits intégrés
La face supérieure du boîtier d'un c.i. porte toujours un certain nombre d'inscriptions alphanumériques, la plus importante étant la référence (le "nom") du c.i. Déchiffrer ces inscriptions n'est pas toujours chose aisée, mais voici quelques renseignements utiles.
En règle générale, on trouvera un marquage du style: PPXXXXSS, où le PP représente le préfixe, qui peut désigner le fabricant (son logo est souvent imprimé) ou permettre d'identifier une version, XXXX est la référence du c.i. (model, en anglais), SS est un suffixe relatif au boîtier (D, FE, N...) ou à une version particulière du modèle.
Voici quelques préfixes de fabricants: ST pour STMicroelectronics, NE pour Philips Semiconductors, LM pour National Semiconductors, SN pour Texas Instruments, HA pour Harris...
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On trouvera des suffixes tels que C (pour Ceramic Dual-in-Line Package, ou CERDIP), E (pour Plastic Dual-in-Line Package, ou DIP)...
Les préfixes ou suffixes servent aussi à distinguer différentes versions d'un même c.i.; les différences portent en général sur quelques paramètres, notamment la température de fonctionnement (de 0 à 70 °C, de -40 à 85 °C...) ou encore la tension d'alimentation.
Une lettre ou un groupe de lettres renseigne parfois sur la famille technologique: C pour CMOS, HC pour High Speed CMOS, HCT pour High Speed CMOS TTL compatible, LS pour Low Power Schottky...
Enfin, le nom du pays où le composant a été fabriqué est parfois inscrit (Portugal, Singapore, Malaysia...), ainsi que la date de fabrication, sous la forme AASS (9812 pour douzième semaine de 1998).
Bref, le marquage des c.i. a parfois de quoi laisser perplexe... On tâchera surtout de repérer la référence exacte, qui est l'information capitale, puis on se reportera, au besoin, au catalogue ou à la fiche technique du fabricant pour d'éventuelles précisions sur telle ou telle version particulière, identifiée par un préfixe ou un suffixe.
Nous allons maintenant étudier de plus près un circuit intégré à la fois très connu et très simple, qui fait presque figure d'ancêtre (il a été créé au début des années 70!): le 555. Il s'agit d'un timer en boîtier DIL 8: il comporte donc deux rangées de 4 pattes. Le 555 fonctionne aussi bien en mode astable ou monostable et ne requiert que trois composants périphériques, deux résistances et un condensateur.
Un timer, ou timing circuit, est un c.i. conçu pour délivrer en sortie des signaux dont la période est d'une durée très précise. Ces c.i. donnent lieu à de multiples applications: bascules monostables, astables (multivibrateur), etc. Le timer 555 est sans doute, à l'heure actuelle, l'un des circuits intégrés les plus "simples" sur le marché. Ses performances surprenantes et son coût dérisoire expliquent un succès qui ne se dément pas depuis plus de trente ans! Il est cependant disponible en diverses versions (dont la référence ICM7555 en technologie CMOS), plus sophistiquées que celle d'origine. Le 556 est un double 555 en boîtier DIL 14.
Brochage des 555 et 556.
Voyons tout d'abord, par curiosité, ce qui se cache dans les entrailles de ce minuscule circuit intégré:
Ci-dessus: le schéma équivalent du 555. Beaucoup de transistors bipolaires, de diodes et de résistances dans ce petit boîtier... Tout cela tient dans moins d'un centimètre carré!
On imagine qu'il ne serait guère facile de "travailler" sur un tel schéma, pourtant d'un dépouillement monacal comparé à celui processeur, aussi on le simplifie pour obtenir une espèce de synoptique (block diagram), permettant de visualiser clairement les blocs fonctionnels et le brochage.
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Le
dessin de gauche, fourni par le fabricant, présente la
structure interne (block diagram) du CI à 8
broches référencé 555. Ne sont ici représentés que
les blocs fonctionnels. On distingue un pont diviseur constitué de trois résistances R de même valeur, deux AOP (amplificateurs opérationnels) montés en comparateur (notés COMPARATOR), une bascule de type reset/set à sortie unique (notée FLIP FLOP), un étage de puissance en sortie (OUTPUT STAGE) et, pour finir, un transistor NPN dont le collecteur est relié à la broche 7 (Discharge). Les pattes sont numérotées et désignées par leur "rôle". On retrouvera souvent sur les schémas les termes Vcc (alimentation), GND (masse, ground en anglais), Reset (remise à zéro, ou RAZ). Output signifie "sortie", Threshold signifie "seuil" et Trigger, "gâchette" (ou déclenchement)... |
Nous nous bornerons ici aux principales caractéristiques du NE555 (le plus "basique"):
| Symbol | Parameter | Test conditions | min. | typ. | max. | Units |
| Vcc | Supply voltage | 4,5 | 16 | V | ||
| Icc | Supply current | 10 | 15 | mA | ||
| Iout | Output current | 200 | mA | |||
| Fmax | Operating frequency | 500 | kHz | |||
| PD | Maximum power dissipation | 600 | mW | |||
| TA | Operating ambient temperature range | 0 | 70 | °C | ||
| tM | Timing error in monostable mode | RA = 2 k to 100 k; C= 0,1 µF | 1,0 | 3,0 | % | |
| tA | Timing error in astable mode | RA, RB= 1 k to 100 k; C= 0,1 µF; Vcc= 15 V | 5 | 13 | % | |
| Vcl, Vth, Vtrig, Vreset | All input voltages | Vcc | V |
On retiendra d'abord que le 555 peut être alimenté sous une tension continue comprise entre 4,5 et 16 V et qu'il peut débiter un courant avoisinant la valeur, très confortable, de 200 mA. En mode astable (multivibrateur), il est capable de fonctionner à une fréquence maximale de 500 kHz (une valeur, là encore, très largement suffisante). La précision (timing error) est très bonne, surtout en mode monostable (temporisateur). Détail pratique intéressant, les broches 2, 4, 5 et 6 peuvent au besoin être reliées directement à Vcc.
Principe de fonctionnement du 555
Pour comprendre son fonctionnement, revenons au schéma du 555 (ci-dessous). Les trois résistances, entre Vcc et GND (la masse), constituent un pont diviseur de tension, relié aux deux comparateurs de sorte que l'entrée non-inverseuse (e+) de celui du bas est à un potentiel fixe égal au tiers de Vcc, tandis que l'entrée inverseuse (e-) de l'AOP du haut est à un potentiel fixe égal aux deux tiers de Vcc.
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Ces
deux AOP sont montés en comparateur à fenêtre. Le
principe de ce montage est le suivant: si la tension
présente sur l'entrée inverseuse est supérieure à la
tension présente sur l'entrée non-inverseuse, la
tension en sortie du comparateur sera voisine de 0. En
cas contraire, la tension en sortie sera voisine de Vcc. On détermine donc un seuil supérieur et un seuil inférieur, de sorte que si la tension présente sur la broche 6 du 555 est supérieure aux deux tiers de Vcc, la sortie de l'AOP correspondant sera au niveau logique 1 et commandera la bascule sur "set". Si en revanche la tension présente sur la broche 2 du 555 est inférieure au tiers de Vcc, c'est la sortie de l'autre AOP qui sera au niveau logique 1 et qui commandera alors la bascule sur "reset". |
Sans entrer dans le détail du fonctionnement de la bascule (flip-flop), qui est constituée de deux portes NAND (NON-OU) en couplage croisé précédées de deux autres portes NAND en inverseur, disons qu'une impulsion positive sur son entrée "set" met sa sortie au niveau 1, tandis qu'une impulsion sur l'entrée "reset" fait basculer la sortie à 0.
Fonctionnement du 555 en mode astable
Le 555, nous l'avons dit, se prête de bonne grâce à de multiples et ingénieux montages, mais ses deux modes de fonctionnement "intrinsèques" sont le mode astable, dans lequel il délivre en sortie un signal périodique de forme rectangulaire, et le mode monostable, utilisé pour réaliser une temporisation (état haut d'une durée définie en sortie).
Prenons le schéma du 555 en mode astable, c'est-à-dire fonctionnant comme un multivibrateur. Ce schéma d'application (un grand classique) est celui proposé par le fabricant. Au passage, signalons que le 555 existe aussi en version double, sous la référence 556 (deux 555, indépendants l'un de l'autre, dans un même boîtier DIL 14).
A la mise sous tension, que se passe-t-il? Le condensateur C commence de se charger, via RA et RB. Lorsque la tension aux bornes de C atteint une valeur égale aux deux tiers de Vcc, la sortie du premier comparateur passe à 1 et commande la bascule (flip flop) sur "set". La sortie de cette bascule qui, à l'origine, était à 0, passe à 1. La base du transistor NPN est alimentée, ce qui le rend passant. Ce transistor court-circuite alors le condensateur C en dérivant vers la masse son courant de charge. Le condensateur se décharge via la broche 7 et RB: la tension à ses bornes diminue. Lorsque celle-ci aura atteint une valeur égale au tiers de Vcc, la sortie du second comparateur passera à 1, ce qui actionnera la bascule ("reset"), dont la sortie passera aussitôt de 1 à 0. Conséquence: la base du transistor n'est plus alimentée, donc celui-ci n'est plus passant et ne s'oppose plus à la charge du condensateur. Le condensateur recommence de se charger et nous nous retrouvons dans la situation initiale.
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En
résumé, nous pouvons décomposer un cycle complet en
deux étapes:
Il est à noter que, dès la mise sous tension du montage, la sortie du 555 est au niveau 1 car la sortie de la bascule est au niveau 0 et ce niveau 0 est inversé par l'amplificateur de sortie, donc transformé en un niveau 1, ou haut. La tension du niveau haut en sortie (output) vaut environ 2/3 Vcc. |
Dans cette configuration astable, la période t des créneaux du signal de sortie est donnée par la formule:
t = 0,7 (RA + 2RB) C
La durée du niveau haut (ou 1) vaut:
Hi = 0,7 (RA + RB) C
et la durée du niveau bas (ou 0) vaut:
Lo = 0,7 (RB) C
Il en résulte que le rapport cyclique (duty cycle, en anglais), défini comme le quotient de la durée du niveau haut par la durée totale du cycle, est donné par: (RA + RB) / (RA + 2 RB).
Il sera donc très voisin de 50 % (d'où un signal quasi symétrique) si Ra est beaucoup plus petite que Rb.
On peut maintenant se poser la question de savoir à quoi peut bien servir un 555 monté en multivibrateur. Si on formule la question autrement, on se demandera quel usage on peut faire du signal obtenu en sortie, ce fameux signal périodique de forme rectangulaire, paramétrable dans tous les sens... Voici une petite suggestion: un clignotant! Choisissons une fréquence de l'ordre de la seconde et un rapport cyclique proche de 50 %, branchons deux DEL en sortie, et on les verra clignoter imperturbablement à tour de rôle...
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Un multivibrateur
(ou bascule astable) est un oscillateur qui peut faire
clignoter une DEL, produire un son dans un haut-parleur
ou un buzzer, etc. Ce génial petit schéma d'application, dont il existe de nombreuses variantes, servira chaque fois que vous aurez besoin de produire un signal périodique de forme rectangulaire (ou carrée). Qui plus est, le 555 peut fournir jusqu'à 200 mA en sortie, soit une intensité très largement suffisante pour alimenter une ou plusieurs DEL, un buzzer, etc. A noter que la résistance Rb est souvent remplacée par un ajustable, ce qui permet de faire varier très aisément la période du signal, et par conséquent sa fréquence. |
Fonctionnement du 555 en mode monostable
Le 555 peut tout aussi bien fonctionner en mode monostable, c'est-à-dire comme un temporisateur. Une brève impulsion négative sur son entrée 2 (trigger) va déclencher, en sortie (output), un état haut dont la durée dépend des deux composants R et C, selon la formule donnée ci-dessous. En d'autres termes, la broche 2 doit être mise à la masse, par l'intermédiaire d'un bouton-poussoir, par exemple, pour déclencher la temporisation. La tension de sortie vaudra environ les deux tiers de Vcc.
Schéma d'application du constructeur pour un montage du 555 en monostable.
| Voici un exemple de montage en monostable, très proche du schéma d'application du constructeur. On voit ici tout l'intérêt de pouvoir relier la patte 2 (trigger) directement à Vcc. La mise à la masse fugitive de cette entrée par l'intermédiaire du bouton-poussoir BP, ouvert au repos, déclenche la temporisation, qui sera visualisée grâce à la DEL (si elle n'est pas de trop courte durée!). Insistons sur le fait que l'impulsion négative de déclenchement doit être brève, du fait de la conception du circuit intégré. Ajoutons par ailleurs que la patte 4 (reset), ici inutilisée, permet de stopper la temporisation si elle est portée à la masse (par l'intermédiaire d'un deuxième poussoir, par exemple). |  |
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Le tableau ci-contre permet d'évaluer très rapidement les valeurs de R et de C en fonction de la durée de temporisation désirée. Ainsi, on pourra choisir une résistance de 100 k et un condensateur de 0,1 µF pour obtenir une durée de 10 ms. Si on remplace la résistance par une autre de valeur 10 M, la durée passe à 10 secondes. (Attention aux sous-multiples, les unités sont l'ohm et le farad!) On n'oubliera pas de tenir compte de la dispersion des composants, surtout pour un condensateur électro-chimique. Pour corriger une éventuelle imprécision, on pourra remplacer R par une résistance et résistance variable montées en série. |
Les schémas présentés ci-dessus ne donnent qu'une petite idée des vastes possibilités du 555. Divers raffinements peuvent y être ajoutés pour les rendre encore plus performants. La littérature regorge de schémas autour du 555, tous plus astucieux les uns que les autres! On consultera avec profit les data sheets des constructeurs, qui fournissent souvent de nombreux exemples d'application commentés.
Soit dit entre parenthèses, un lecteur attentif aura remarqué que la patte 5 (control voltage) est systématiquement reliée à la masse via un condo de 10 nF. A quoi peut-elle bien servir? L'explication serait un peu trop longue pour figurer ici; sachez pourtant que certains montages, peu usités il est vrai, utilisent cette fameuse patte 5.
La conclusion de ce chapitre consacré aux circuits intégrés en général, et au 555 en particulier, prendra plutôt la forme d'une introduction...
Il existe, en effet, des centaines, voire des milliers de références de c.i.; il est donc hors de question de les étudier tous un par un. Mais nous avons vu une méthode qui nous permet d'identifier un circuit intégré, de lire sa fiche technique, du moins les paramètres essentiels, et de réaliser les montages d'application.
A partir de là, on peut réfléchir à d'autres utilisations pratiques du circuit. En voici une, originale et amusante, du 555:
L'appui sur l'un des BP déclenche un créneau d'une fréquence (audible) donnée en sortie du 555 monté en multivibrateur. Ce signal est amplifié par les transistors en darlington, le niveau étant réglable par le potentio de 22 k; il attaque ensuite un petit haut-parleur. Le tout est alimenté par une simple pile 9 V. Si la qualité sonore n'est pas au rendez-vous, ce montage aura cependant le mérite de divertir les plus jeunes et d'instruire les électroniciens en herbe...
