Un guide complet pour la construction de circuits numériques

Les circuits numériques ou l'électronique numérique sont des appareils électroniques qui utilisent des signaux numériques. Ils sont différents des circuits analogiques en ce que les circuits analogiques fonctionnent sur des signaux analogiques dont le fonctionnement est beaucoup plus sujet à l'atténuation du signal, à la tolérance de fabrication et au bruit. En règle générale, les concepteurs utilisent de grands assemblages de portes logiques sur des circuits intégrés pour créer des circuits numériques.

Dans ce guide convivial, nous vous expliquons tout sur les circuits numériques. Lisez la suite pour en savoir plus.

Une brève histoire des circuits numériques

En 1705, Gottfried Wilhelm Leibniz a affiné le système de numération binaire. Leibniz a établi qu'en utilisant le système binaire, il était possible de joindre les principes de l'arithmétique et de la logique. Au milieu du XIXe siècle, George Boole a conçu la philosophie numérique telle que nous la connaissons aujourd'hui. Plus tard, en 1886, Charles Sanders Peirce a expliqué comment les scientifiques pouvaient effectuer des opérations logiques en commutant des circuits de commutation électriques. Puis, au lieu de relais pour les opérations logiques, les concepteurs ont commencé à utiliser des tubes à vide.

Avec le développement des ordinateurs numériques après la Seconde Guerre mondiale, le calcul numérique a remplacé l'analogique. Bientôt, les éléments de circuits purement électroniques ont pris le relais de leurs homologues mécaniques et électromécaniques.

En 1959, Mohamed Atalla et Dawon Kahng ont inventé le transistor MOSFET, qui a radicalement révolutionné l'industrie électronique. À partir de la fin du 20e siècle, le transistor MOSFET a joué un rôle essentiel dans la construction de circuits numériques. Actuellement, c'est le dispositif semi-conducteur le plus populaire au monde.

Initialement, chaque puce de circuit intégré ne comportait que quelques transistors. Au fur et à mesure que la technologie évoluait, il devenait possible de placer des millions de transistors MOSFET dans une seule puce. Aujourd'hui, les concepteurs peuvent placer des milliards de transistors MOSFET dans une seule puce. Cela prouve à quel point les circuits numériques ont progressé depuis leurs débuts.

2. Propriétés des circuits numériques

L'une des principales raisons pour lesquelles les circuits numériques sont hautement accessibles, comme nous l'avons mentionné précédemment, est qu'il est facile de les représenter numériquement sans que le bruit ne les dégrade. Par exemple, tant que le son capté lors de la transmission n'est pas suffisant pour empêcher l'identification de l'itinéraire, les signaux audio successifs peuvent être reconstitués dans l'ordre de 1 s et 0 s sans aucune erreur.

Pour obtenir une représentation plus précise dans un système numérique, vous pouvez représenter le signal en utilisant davantage de chiffres binaires. Bien sûr, cela nécessite plus de circuits numériques, mais comme le même type de matériel gère chaque numéro, le système est facilement évolutif. Les choses sont différentes avec un système analogique qui nécessite des améliorations fondamentales des caractéristiques de bruit et de la linéarité pour produire une nouvelle résolution.

Lorsque vous utilisez des systèmes numériques contrôlés par ordinateur, il est possible d'ajouter de nombreuses autres fonctions à l'aide de la révision du logiciel. En d'autres termes, vous n'avez besoin d'aucune modification matérielle. De plus, vous pouvez apporter des améliorations à votre système numérique en dehors de l'usine en mettant simplement à jour le logiciel.

Une autre propriété des circuits numériques est qu'ils permettent un stockage plus accessible des informations. En effet, les systèmes numériques sont immunisés contre les interférences et peuvent stocker et récupérer des données sans dégrader les performances.

La plupart des systèmes numériques les plus récents traduisent généralement les systèmes analogiques continus en signaux numériques. Cela peut provoquer des erreurs de quantification. Pour maintenir ces erreurs au minimum, assurez-vous que le système numérique peut stocker des données numériques adéquates pour représenter le signal avec un degré de fidélité souhaitable.

3. Construction de Circuits Numériques

Les ingénieurs utilisent diverses méthodes pour construire des portes logiques. Nous allons étudier certains d'entre eux ci-dessous.

3.1 Construction à l'aide de portes logiques

Les fabricants de circuits numériques utilisent généralement de petits circuits électroniques appelés portes logiques pour créer des cours numériques. Avec ces portes logiques, il est possible de créer une logique combinatoire. Chaque porte logique agit sur des signaux logiques pour exécuter une fonction de la logique booléenne. Généralement, les concepteurs utilisent des commutateurs à commande électronique pour créer des portes logiques. Habituellement, ces commutateurs sont des transistors. Les vannes thermioniques peuvent également aider à faire le même travail. La sortie d'une porte logique peut alimenter d'autres portes logiques ou les contrôler.

3.2 Construction à l'aide de tables de consultation

Le deuxième type de circuits numériques comprend la construction à partir de tables de consultation. En règle générale, les tables de consultation remplissent des fonctions similaires à celles des circuits numériques basés sur des portes logiques. Un avantage important des canaux numériques basés sur des tables de consultation est que les concepteurs peuvent facilement les reprogrammer sans apporter de modifications au câblage. En d'autres termes, il est facile de réparer les erreurs de conception sans avoir à modifier la disposition des fils. Lorsqu'il s'agit de produits de petit volume, les concepteurs préfèrent donc les dispositifs logiques programmables à d'autres types de circuits numériques. Lors de la conception de ces dispositifs logiques programmables, les ingénieurs utilisent généralement un logiciel d'automatisation de la conception.

3.3 Circuits intégrés

Lors de la construction de circuits intégrés, les ingénieurs utilisent plusieurs transistors sur une seule puce de silicium. C'est le moyen le plus abordable de créer un grand volume de portes logiques interconnectées. Habituellement, les concepteurs interconnectent des circuits intégrés sur une carte de circuit imprimé (PCB), qui est une carte qui contient divers composants électriques et les connecte avec des pistes de cuivre.

4. Conception de circuits numériques

Lors de la conception de circuits numériques, les ingénieurs utilisent diverses méthodes pour réduire la redondance logique, maintenant ainsi la complexité du circuit au minimum. Mais pourquoi est-il essentiel de maintenir une complexité de circuit faible ? Eh bien, une complexité minimale réduit le nombre de composants et évite les erreurs potentielles, ce qui à son tour maintient les coûts bas. Certaines des techniques les plus courantes de réduction de la redondance logique comprennent l'algèbre booléenne, les diagrammes de décision binaires, l'algorithme Quine-McCluskey, les cartes de Karnaugh et la méthode informatique heuristique. Les ingénieurs logiciels utilisent généralement des méthodes informatiques heuristiques pour effectuer ces opérations.

4.1 Représentation

La représentation est un élément essentiel lorsqu'il s'agit de la conception de circuits numériques. Les ingénieurs classiques représentent les circuits numériques en utilisant un ensemble équivalent de portes logiques où les concepteurs utilisent une forme différente pour représenter chaque symbole logique. Les ingénieurs peuvent également construire un système équivalent de commutateurs électroniques pour représenter les circuits numériques. Les représentations ont généralement des formats de fichiers numériques pour une analyse automatisée.

4.1.1 Combination vs séquentiel

Lors du choix des images, les concepteurs considèrent généralement divers types de systèmes numériques. Les deux groupes communs de systèmes numériques sont les systèmes combinatoires et les systèmes séquentiels. Les systèmes combinatoires présentent les mêmes sorties pour les mêmes entrées. Les systèmes séquentiels, en revanche, sont des systèmes combinatoires qui réinjectent certaines des sorties en entrées.

Il existe deux autres sous-catégories de systèmes séquentiels :les systèmes séquentiels synchrones qui changent d'état en une seule fois et les systèmes séquentiels asynchrones qui changent à chaque fois que les entrées changent.

4.1.2 Conception informatique

Un ordinateur est l'équipement logique de transfert de registre à usage général le plus ordinaire. La machine est un boulier binaire automatique. Un micro-séquenceur pilote l'unité de contrôle du réseau, qui est elle-même un micro-programme. La grande majorité des ordinateurs sont synchrones, bien qu'il existe également des ordinateurs asynchrones sur le marché.

4.2 Problèmes de conception dans les circuits numériques

Comme les ingénieurs utilisent des composants analogiques dans des circuits électroniques numériques, la nature analogique de ces composants peut interférer avec le comportement numérique souhaité. La conception des canaux numériques doit donc gérer des sujets tels que les marges temporelles, le bruit, la capacité et les inductances parasites.

4.3 Outils de conception de circuits numériques

Au fil des années, les ingénieurs ont conçu d'importantes machines logiques visant à minimiser les efforts d'ingénierie coûteux. Actuellement, il existe des programmes informatiques connus sous le nom d'outils d'automatisation de la conception électronique (EDA) qui existent à cette fin. Par exemple, il existe un logiciel de fabricabilité qui fournit une excellente assistance aux concepteurs de circuits numériques.

4.4 Test d'un circuit logique

La principale raison pour laquelle les ingénieurs testent un circuit logique est de vérifier si la conception répond aux spécifications de synchronisation et fonctionnelles. Il est crucial d'examiner chaque copie du canal numérique pour s'assurer que le processus de fabrication n'a pas introduit de défauts.

5. Considérations relatives à la conception de circuits numériques

La progression de la conception des circuits numériques a été lente mais régulière. Nous retraçons ce parcours en examinant les différentes familles logiques ci-dessous.

5.1 Relais

La première conception de canaux numériques comportait une logique de relais. Cette conception était fiable et peu coûteuse. Cependant, c'était lent et il y avait des pannes mécaniques occasionnelles. Il y avait généralement dix épanouissements qui se produisaient sur les contacts.

5.2 Aspirateurs

La logique du vide a immédiatement suivi la logique du relais. Le principal avantage des aspirateurs était qu'ils étaient rapides. Cependant, les aspirateurs généraient beaucoup de chaleur et les filaments brûlaient fréquemment. Le développement des tubes informatiques dans les années 1950 a été une amélioration significative des vides car ces tubes informatiques pouvaient fonctionner pendant des centaines de milliers d'heures.

5.3 Logique résistance-transistor

Il s'agissait de la première famille de logiques à semi-conducteurs. La logique du transistor à résistance était des milliers de fois plus fiable que les tubes. Il a utilisé beaucoup moins d'énergie et a fonctionné plus frais. Cependant, sa diffusion était très faible :3 au total. Plus tard, la logique du transistor à diode a augmenté la diffusion à 7 et a encore réduit la puissance.

5.4 Logique transistor-transistor

Une amélioration spectaculaire par rapport aux logiques précédentes, la logique transistor-transistor avait une diffusion de 10. Plus tard, cette diffusion s'est améliorée à 20. Cette logique était également remarquablement rapide. La logique est encore utilisée aujourd'hui dans des conceptions de circuits numériques spécifiques.

5.5 Logique couplée à l'émetteur

Le modèle couplé à l'émetteur est incroyablement rapide. Cependant, cette logique utilise beaucoup de puissance. Les ordinateurs hautes performances avec des composants de taille moyenne utilisent largement cette logique.

Logique CMOS 5.6

La logique CMOS est de loin la logique la plus populaire pour les circuits intégrés aujourd'hui. La logique est rapide, fournit une densité de circuit élevée et une faible puissance par porte logique. Même les grands ordinateurs rapides utilisent cette logique.

Les derniers développements dans le domaine des circuits numériques

Les chercheurs dans le domaine des circuits numériques ont récemment fait des progrès significatifs. Voici quelques exemples :

6.1 Utilisation des memristors

En 2009, par exemple, des chercheurs ont découvert que les memristors pouvaient aider à implémenter le stockage d'état booléen. Cela fournit une famille logique complète qui présente de petites quantités de puissance et d'espace avec l'utilisation de processus CMOS simples.

6.2 La découverte de RSFQ

Les chercheurs ont également découvert la supraconductivité. Cette découverte permet aux ingénieurs de développer une technologie de circuit quantique à flux unique rapide (RSFQ) qui utilise des jonctions Josephson plutôt que des transistors. Les ingénieurs ont récemment tenté de construire des systèmes informatiques purement optiques capables de traiter des informations numériques à l'aide d'éléments visuels non linéaires.

Résumé

Les circuits numériques sont au centre de l'électronique numérique et du traitement informatique d'aujourd'hui. Avec leur faible sensibilité au bruit et à la dégradation de la qualité, ces circuits sont de loin préférables aux circuits analogiques. Et avec les ingénieurs et les chercheurs qui se consacrent aux progrès du domaine des canaux numériques, la conception et les performances de ces appareils ne feront que s'améliorer.

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