Les circuits logiques

De nos jours, les systèmes électroniques modernes, envahissent notre quotidien tels que les ordinateurs, les smartphones, les automates programmables, les pupitres, les électro mécanismes, les appareils connectés, les robots, etc. Ces systèmes reposent sur des circuits simples ou complexes. Composé essentiellement de transistors, de résistances et de condensateurs, ce type de circuit est capable de réaliser les fonctions logiques les plus complexes; appelées "un circuit logique".

Un circuit logique est un ensemble de composants électroniques reliés entre eux pour traiter et manipuler des données numériques. Ces composants intégrent des portes logiques, tels que les fonctions logiques AND, les portes OR, les portes NOT, etc. pour réaliser diverses opérations, telles que le traitement binaire, logique ou mathématique. fondés sur des composants électroniques tels que les transistors, les résistances et les condensateurs, ces circuits permettent d'effectuer une infinité d'opérations logiques.

L'élément unitaire de ces circuits logiques est le signal électrique appelé bit, qui peut être soit un zéro (« 0 »), soit un un (« 1 »), et qui symbolise l'un des deux états logiques : faux (0) ou vrai (1).

Information

La différence entre un circuit logique et un circuit intégré ?

Un circuit logique est comme un jeu de boîtes qui contient des portes logiques dont les entrées et la sortie ne prennent que les deux valeurs 0 et 1, selon des règles simples, par exemple : « à l’entrée, il y a deux 1, à la sortie il y a 1 ». Ces circuits sont utilisés dans les systèmes numériques pour résoudre des problèmes et prendre des décisions.

Un circuit intégré est une petite boîte noire, qui intègre tous les composants sur la même puce et qui peut contenir un ou plusieurs circuits logiques à fin de réaliser des fonctions de traitement analogiques ou numériques. On les retrouve dans les téléphones, les ordinateurs et même les jouets, car il permet à ces appareils d'assurer des fonctions de traitement et de prendre des décisions rapidement.

De quoi est-il composé ?

Ce circuit électronique n'est pas une boîte noire, mais un ensemble de composants électroniques interconnectés permettant de traiter des signaux numériques, représentés par des bits, soit « 0 » ou « 1 ». Ce composant est devenu primordial dans nos systèmes modernes, tels que les ordinateurs, les smartphones et les objets connectés. On y retrouve différents types de composants, tels que :

  • des portes logiques: AND, OR, NOT, etc.
  • des transistors: élément de base pour constituer des portes logiques et des fonctions élémentaires pour les circuits logiques.
  • Des composants passifs: tels que les résistances et les condensateurs qui stabilisent les signaux électriques.
  • des entrées et des sorties: ce sont nos entrées et sorties numériques pour notre composant numérique.
  • des flip-flops: principalement des bascules à mémoire pour stocker l'information numérique temporairement si besoin.
  • Une horloge: dans certains cas, un signal cyclique et cadencé appelé horloge est nécessaire pour synchroniser les différents composants de notre carte électronique.
  • Un ou plusieurs bus: permettent de transporter des données entre les différentes parties d’un circuit ou d’un système électronique.
  • L'alimentation: pour faire fonctionner un boitier, une alimentation est nécessaire.

Sur le marché des composants électroniques et de traitement de l'informaiton numérique, nous retrouvons la série des circuits intégrés 7400, conçus avec la technologie TTL (l'abréviation de la terminologie en anglais "Transistor-Transistor Logic"), une technique qui utilise des transistors bipolaires pour réaliser des fonctions logiques telles que les portes AND, OR et NOT, qui sont largement utilisées dans la conception des cartes numériques de nos jours.

Exercice

Pour démontrer qu'une porte logique est composé d'un ou plusieurs transistors et des composants passifs tels que les résistances, les condensateurs, etc. nous vous proposons le TD suivant :

Le circuit intégré 7404 de cette série de circuits, par exemple, est composé de six portes logiques indépendantes inverseuses NON. Comme le montre le schéma de brochage ci-dessous, on peut clairement distinguer que ce circuit intégré comporte six portes logiques indépendantes dans un seul boîtier.

Schéma de brochage d'un circuit TTL 7404

Par exemple, si nous devons utiliser deux cellules NON, nous pouvons utiliser:

  • la porte logique NON numéro 1 située entre les deux connecteurs 1 et 2
  • une deuxième porte située entre les deux connecteurs 3 et 4 sera par exemple la suivante à connecter.

Il est à noter que nous retrouvons également la même fonction NON avec la technologie CMOS, une technologie basée sur les transistors à effet de champs "FET", sous la référence CD4009 ou CD4049 (la différence entre ces deux références est que le circuit CD4009 travaille avec deux sources d'alimentations tandis que le CD4049 n'a besoin qu'une seule source d'alimentation. La broche 16 "Vdd" n'est pas connecté dans le circuit CD4049). Le schéma de branchement de cette référence, comme le démontre le schéma ci-dessous, est légèrement différent de celui de la 7404 présentée précédemment.

Schéma de brochage d'un circuit CMOS CD4049

Les différents types de circuits logiques

Comme nous l'avons détaillé précédemment ci-dessus, les circuits logiques sont constitués d'ensembles de portes logiques unitaires ou assemblés en un enselble bloc ou boitier pour traiter des informations purement numériques (soit des zéros (« 0 »), soit des uns (« 1 »), soit un mixte des deux) pour de constituer une série ou un mot binaire), Ces circuits peuvent être classés en deux grandes catégories:

  • les circuits logiques combinatoires: tels que les fonctions logiques AND, OR, NOT, etc. les circuits de calculs mathématiques; les additionneurs, les soustracteurs, etc. les codeurs et les décodeurs, etc. 
  • les circuits logiques séquentiels: tels que les bascules JK, RS, D, etc. les registres à décalage et les mémoires, les compteurs, etc.

La seule différence entre ces deux catégories de circuits logiques est que les circuits combinatoires ont une sortie qui ne dépend que de la valeur de l'entrée, tandis que les circuits logiques séquentiels ont une sortie qui dépend de la valeur de l'entrée, de l'état précédent et de l'état actuel.