Circuits logiques

• Qu'est-ce qu'un circuit "logique"?
• Principe de fonctionnement des circuits logiques
• Principales caractéristiques des circuits logiques
• Réaliser une bascule monostable à l'aide de portes logiques
• Réaliser une bascule astable à l'aide de portes logiques
• Réaliser une bascule bistable à l'aide de portes logiques
• Les portes logiques de la famille 4000
• Quelques autres c.i. de la famille 4000
• Le compteur décimal 4017
• Le compteur binaire à 14 étages 4060
• Le multivibrateur astable/monostable 4047

Qu'est-ce qu'un circuit "logique"?

On appelle "logique" un circuit intégré spécialisé, destiné à réaliser une opération booléenne.

On se souvient que la logique booléenne repose sur quelques idées simples (et cependant géniales!): le courant passe, on a un état haut, noté 1. Le courant ne passe pas, on a un état bas, on le note 0. Pour laisser passer le courant ou au contraire l'empêcher de passer (allumer ou éteindre une ampoule, par exemple), on utilise un interrupteur. Si on combine deux ou plusieurs interrupteurs, on réalise une opération, ou fonction, logique.

Les c.i. logiques regroupent, pour les modèles les plus simples, quatre portes (gates, en anglais) identiques comportant chacune deux entrées et une sortie. D'autres modèles, dont nous reparlerons, sont un peu plus complexes.

Le brochage le plus courant des c.i. logiques à quatre portes est donné ci-contre. Ces c.i. se présentent sous la forme d'un boîtier DIL 14, la broche 14 étant dédiée à l'alimentation positive (VDD), la broche 7 à la masse (VSS). On trouve ensuite quatre portes indépendantes, comportant chacune deux entrées (I pour input) et une sortie (O pour output).

Cliquez ici pour un rappel des notions de base de la logique booléenne.

Principe de fonctionnement des circuits logiques

Le fonctionnement des c.i. logiques, en ce qui concerne tout du moins les modèles les plus "élémentaires", est d'une grande simplicité. Il suffit d'alimenter le c.i. sous une tension positive adéquate, puis d'appliquer deux signaux sur les deux entrées d'une même porte. On obtient en sortie soit un état haut, soit un état bas.

La table de vérité (truthtable, en anglais) d'un c.i. résume sous la forme d'un tableau tous les cas de figure possibles, selon les signaux appliqués aux différentes entrées.

Le tableau ci-dessus donne un exemple de tables de vérité pour les opérations logiques ET (AND, en anglais)et NON-ET (NAND, en anglais), qui sont l'inverse l'une de l'autre. Un état bas est désigné par 0 et un état haut par 1.

Principales caractéristiques des circuits logiques

Il existe plusieurs "familles" de c.i. logiques, d'où une grande variété de préfixes (HCC, HCF, HCT, HEC, HEF, etc.) pour un modèle donné. Les différences portent en général sur quelques paramètres, dont la tension d'alimentation ou la température de service. Les modèles sont numérotés à partir de 4000.

Voici un extrait de la fiche technique des HE4000B (caractéristiques communes à tous les modèles appartenant à cette famille, sauf exception):

Famille HE4000B (préfixe HEC ou HEF)

On retiendra, pour l'essentiel, que les c.i. préfixés HEF ou HEC sont alimentés sous une tension continue comprise entre 3 et 15 volts (supply voltage) et que la tension obtenue en sortie (output voltage) est très proche de 0 V pour un état bas et très proche de la tension d'alimentation pour un état haut.

Ajoutons que les c.i. "quadruples portes logiques" sont des composants très peu onéreux: ils coûtent environ 0,30 euro à l'unité.

Réaliser une bascule monostable à l'aide de portes logiques

En associant deux ou plusieurs portes logiques, on peut aisément réaliser un montage appelé bascule, dont la sortie dépend non seulement du niveau (haut ou bas) présent sur chacune des entrées, mais aussi du niveau précédent. La bascule fait donc intervenir la notion de temps, puisque son état à l'instant t peut être différent de l'état à l'instant t'.

Il existe trois grandes catégories de bascules:

• la bascule monostable, destinée surtout à la temporisation,
• la bascule bistable, destinée au comptage ou à la mémorisation,
• la bascule astable, ou multivibrateur, qui produit un signal périodique et qu'on peut assimiler à un oscillateur.

On se souvient que le timer 555 permet, lui aussi, de réaliser facilement des bascules astable et monostable.

Un monostable est donc un petit montage destiné à produire un signal d'une durée déterminée (autrement dit: une temporisation) à partir d'une impulsion d'entrée, dite de déclenchement. La durée de ce signal est fixée à l'aide de quelques composants périphériques, en général une résistance (ou un ajustable) et un condensateur.

Les c.i. 4001 et 4011 se prêtent volontiers à la réalisation de monostables ou de multivibrateurs. Voici deux exemples de monostables, qui n'utilisent que deux portes sur les quatre disponibles:

Monostable à portes NON-OU (NOR). La temporisation est déclenchée sur un front montant (positif) et on trouve en sortie un créneau de niveau haut (tension très voisine de Vcc). Cette bascule n'est pas redéclenchable.

Monostable à portes NON-ET (NAND). La temporisation est déclenchée sur un front descendant (négatif) et on trouve en sortie un créneau de niveau bas (tension très voisine de 0 V). Cette bascule n'est pas redéclenchable.

Avec un 4001 ou un 4011, la durée de la temporisation t est donnée par la formule:

t = 0,7 R C (R en ohms, C en farads)

Un monostable est redéclenchable si la temporisation peut être réinitialisée avant la fin de son terme; il est dit non-redéclenchable en cas contraire (une action sur le dispositif de déclenchement, souvent un bouton-poussoir, restera sans effet tant que la temporisation ne sera pas arrivée à son terme).

Réaliser une bascule astable à l'aide de portes logiques

Le 4011 sera à nouveau mis à contribution, pour réaliser cette fois un multivibrateur, un petit circuit produisant un signal périodique sous forme de créneaux rectangulaires, d'une fréquence déterminée, et capable, par exemple, de faire clignoter une DEL (si la fréquence est proche de 1 Hz) ou d'émettre un son (si la fréquence est audible!) dans un haut-parleur.

Le schéma d'application ci-dessus se révèle d'une grande simplicité, puisqu'il est conçu autour d'un 4011 et ne nécessite qu'un minimum de composants périphériques. Le multivibrateur proprement dit est construit grâce aux deux premières portes NON-ET, le signal périodique étant disponible broche 4. Il faut par ailleurs observer que ce multivibrateur oscille lorsque la broche 1, ici reliée à Vcc (donc à la broche 14), est portée à l'état haut.

Il est à noter que la fréquence du signal peut être modifiée en montant un ajustable et une résistance talon en lieu et place de la résistance fixe (par exemple, une résistance fixe de 100 k et un ajustable de 100 k, ce qui permet de faire varier la résistance totale entre 100 et 200 kilo-ohms).

Réaliser une bascule bistable (flip-flop) à l'aide de portes logiques

Une bascule bistable, ou RS pour RESET/SET, possède deux états stables et complémentaires, qu'elle peut conserver tant qu'elle demeure sous tension. La sortie change d'état sous l'action d'un signal d'entrée (parfois deux), puis conserve (donc mémorise) l'état de sortie. Les sorties sont en général notées Q et Q barre.

Le schéma de principe ne requiert que deux portes NON-ET en couplage croisé, caractéristique des bascules RS.

Une entrée de chacune des deux portes (les broches 1 et 6 du 4011) est reliée à l'alimentation Vcc, donc à un niveau haut, tandis que chacune des deux entrées restantes (broches 2 et 5) est reliée à la sortie de l'autre porte. Les sorties sont notées Q et Q barre, et elles sont complémentaires: quand l'une est haute, l'autre est basse. A la mise sous tension du montage, l'une des deux DEL s'allume, indiquant un niveau 1 sur la sortie correspondante. En reliant fugitivement à la masse (GND) l'un des points rouges, qui sont les entrées Set et Reset, on fait basculer les sorties: la DEL allumée s'éteint et celle qui était éteinte s'allume. Le niveau des sorties est donc inversé.

Notez qu'il n'est pas nécessaire de maintenir le contact: une brève impulsion négative suffit à provoquer le basculement, et les niveaux de sortie restent stables, tant que le montage est alimenté.

Ce deuxième schéma est un peu plus sophistiqué que le précédent. Cette fois, la mise en mémoire s'effectue sur front montant (impulsion positive) d'un signal d'horloge (clock, en anglais) qui est reçu par deux entrées de deux portes NON-ET, elles-mêmes reliées au montage de base (portes A et B en couplage croisé). Les deux entrées restantes des portes C et D sont les entrées Set et Reset.

Le signal d'horloge, dont la période est connue, permet d'exercer un contrôle automatique sur la bascule. La mémorisation a lieu à un instant précis, et, de plus, cette validation élimine tout changement d'état parasite ou non désiré sur Set ou Reset.

Soit dit en passant, le c.i. référencé 4013 contient deux bascules bistables (dual flip-flop), qui remplacera avantageusement le montage ci-dessus.

Les portes logiques de la famille 4000

Voici les références des principaux c.i. ne comportant que des portes logiques:

Cliquez ici pour un rappel des opérations de base de la logique booléenne.

Quelques autres c.i. de la famille 4000

La famille 4000 comporte beaucoup de c.i. spécialisés: bascules (flip-flops) monostables ou bistables, compteurs (counters), compteurs-diviseurs, etc. Voici une courte liste de quelques modèles faciles à mettre en oeuvre et couramment utilisés:

On se reportera à la data sheet du circuit concerné pour obtenir toutes les informations utiles à sa mise en oeuvre (brochage, fonctionnement, schéma d'application...). Il faut le répéter, ce document, aisément et gratuitement disponible sur Internet, est une véritable mine d'or!

Nous allons présenter brièvement quelques modèles très "populaires", que l'on retrouve souvent dans les montages de loisirs. Ces modèles se caractérisent par une mise en oeuvre simple, des performances étonnantes et un prix des plus modiques (moins de 1 euro). Donc, toutes les conditions sont réunies pour expérimenter!

Le compteur décimal 4017

Le 4017 est un compteur décimal, c'est-à-dire un c.i. capable de compter de 1 à 10. Il comporte deux entrées d'horloge (clock) complémentaires: CP0 déclenche le comptage sur front montant (CP1 étant maintenu à l'état bas), CP1 sur front descendant (CP0 étant maintenu à l'état haut). On a donc le choix entre une logique positive ou négative.

Le comptage est matérialisé par un état haut sur la sortie correspondante (d'abord O0, puis O1, puis O2, etc.). Plus précisément, on aura O1 à l'état haut et toutes les autres sorties à l'état bas; puis, lors de l'impulsion suivante sur l'entrée d'horloge, O1 repassera à l'état bas et ce sera au tour de O2 de passer à l'état haut, et ainsi de suite.

On notera que la sortie carry out permet un montage "en cascade" de plusieurs 4017, ce qui rend possible une extension considérable de la capacité de comptage (unités, dizaines, centaines...). La broche 12 est à l'état bas lorsque le compteur est positionné sur l'un des états 5, 6, 7, 8 ou 9.

Enfin, l'entrée MR (master reset) remet le compteur à zéro lorsqu'elle est portée à l'état haut.

Cerise sur le gâteau, un dispositif interne de correction automatique rétablit un comptage normal après 11 impulsions suivant une éventuelle impulsion erronée...

Le tableau ci-dessous résume les différentes opérations réalisées par le 4017 en fonction des états des entrées. Un X signifie "état indifférent".

MR CP0 CP1 OPERATION H X X O0 = O5-9 = H; O1 to O9 = L L H Counter advances L L Counter advances L L X No change L X H No change L H No change L L No change

H = HIGH state (the more positive voltage) L = LOW state (the less positive voltage) X = don't care (state is immaterial) positive-going (LOW to HIGH) transition negative-going (HIGH to LOW) transition

Et voici un extrait du timing diagram, lorsque le 4017 avance sur front montant, donc sur une impulsion positive sur l'entrée CP₀, les entrées CP₁ et MR étant au niveau bas:

Le compteur binaire à 14 étages 4060

Comme les modèles référencés 4020 et 4040, le 4060 est un compteur un peu particulier, puisque chaque impulsion sur son entrée d'horloge se traduit, au niveau de ses différentes sorties, par une division de la fréquence du signal d'entrée, le diviseur étant toujours un nombre binaire (8, 16, 32, 64...).

Si la fréquence du signal d'entrée est égale à f, on aura donc sur chaque sortie un signal de fréquence f/8, f/16, f/32, etc. A propos du signal dit "d'entrée", celui-ci peut en fait être généré par le 4060 lui-même, soit à l'aide d'un réseau RC, soit à l'aide d'un quartz.

Voici le brochage du 4060. Sur la broche 1, la sortie est appelée Q11: on a un facteur de 2 puissance 11, soit 2048. Ce facteur est de 8 (2 puissance 3) sur la broche 7, de 16 sur la broche 5 (2 puissance 4), etc. On notera que la sortie Q10 n'est pas disponible.

La configuration de l'oscillateur interne du 4060 permet d'envisager trois types de circuit d'horloge: soit avec un réseau RC, soit avec un quartz, ou encore avec un signal externe. Dans ce dernier cas, le signal est présenté sur l'entrée RS, les broches RTC et CTC restant "en l'air" (non connectée).

Le 4060 offre la possibilité de générer lui-même la fréquence de base fosc, qui sera ensuite divisée sur les sorties. Le schéma de gauche montre comment fixer la valeur de cette fréquence à l'aide de deux résistances et d'un condensateur externes. On tiendra compte des conditions suivantes: R2 doit être égale à environ deux fois Rt Rt doit être supérieure à 10 kW et inférieure à 1 MW Ct doit être supérieur à 50 pF

Le compteur avance sur front descendant de RS. Si MR (master reset) est porté à l'état haut, le compteur est réinitialisé, toutes les sorties Q passent à l'état bas. Ajoutons que la fréquence maximale de l'oscillateur frôle les 90 MHz!

Ci-dessus, un chronogramme partiel des sorties Q3 à Q6. La fréquence de base est divisée par 8, par 16, par 32, par 64. On obtient en sortie des fréquences qui ont entre elles des rapports fixes et précis.

Les modèles 4020 et 4040 sont assez similaires au 4060, sauf en ce qui concerne l'entrée d'horloge. Consultez leurs fiches techniques!

Le multivibrateur astable/monostable 4047

Nous allons conclure ce bref aperçu avec le 4047, un c.i. "ambidextre", pourrait-on dire, permettant aussi bien une utilisation en multivibrateur astable qu'en monostable (one shot, en anglais). Le 4047 ne nécessite que deux composants périphériques, une résistance (entre les broches 2 et 3) et un condensateur (entre les broches 1 et 3).

Voici le bochage du 4047, qui se présente sous boîtier DIL-14:

Le mode astable est activé par un niveau haut sur l'entrée ASTABLE. La période du signal carré sur les sorties O et O barre (complémentaire de O) est fixée par la valeur des composants périphériques. Cette période sera divisée par 2 sur la sortie OSCILLATOR OUTPUT.

En mode monostable, le déclenchement sur front montant (positif) est réalisé en présentant un front positif (leading-edge pulse) sur +TRIGGER et un niveau bas sur -TRIGGER. Le déclenchement sur front descendant (négatif) est réalisé en présentant un front descendant (trailing-edge pulse) sur -TRIGGER et un niveau haut sur -TRIGGER. La durée des impulsions d'entrée est sans effet sur le signal de sortie. En logique positive uniquement, le monostable peut être redéclenché en présentant une impulsion commune sur les entrées RETRIGGER et +TRIGGER.

Le tableau ci-dessous résume quelques unes des possiblités offertes par le 4047:

Dans tous les cas, la résistance sera connectée entre les broches 2 et 3, et le condensateur entre les broches 1 et 3.

Notez que le modèle 4528 offre deux monostables indépendants, ce qui ouvre d'intéressantes possibilités...