Conception et vérification d'un circuit porte NAND de base avec le CI 4011

Composants et matériel

• 4011 quadruple porte NAND (Radio Shack catalogue # 276‑2411)
• Interrupteur DIP 8 positions (Radio Shack catalogue # 275‑1301)
• Barregraphe LED 10 segments (Radio Shack catalogue # 276‑081)
• Une pile 6 volts
• Deux résistances de 10 kΩ
• Trois résistances de 470 Ω

Attention ! Le CI 4011 est CMOS et hautement sensible à la décharge statique. Manipulez avec précautions antistatiques.

Lecture complémentaire

Lessons In Electric Circuits, Volume 4, chapitre 3 : « Portes logiques ».

Objectifs d'apprentissage

• Comprendre le rôle d'une résistance de tirage vers le bas (pulldown).
• Déterminer la table de vérité d'une porte par l'expérience.
• Apprendre à interconnecter des portes logiques.
• Concevoir diverses fonctions logiques en utilisant des portes NAND.

Schéma de la fonction de base de la porte

Illustration de la fonction de base de la porte

Instructions d'expérience

Commencez par câbler une seule porte NAND vers deux interrupteurs d'entrée et une LED, comme indiqué dans le schéma. L'interrupteur 8 positions et le barregraphe 10 segments peuvent sembler excessifs au premier abord, mais ils permettent une extension facile et gardent la disposition ordonnée.

Gardez toujours une fiche technique du 4011 à portée de main. Lire le diagramme de brochage est essentiel pour des connexions correctes. Voici une référence de brochage simplifiée dérivée de la fiche technique officielle :

Dans l'illustration de la plaque d'essai, nous utilisons la porte NAND en bas à gauche : les broches 1 et 2 sont les entrées, et la broche 3 est la sortie. Les broches 14 et 7 alimentent V_DD (tension positive) et GND (masse). Certaines fiches techniques étiquettent le rail négatif comme V_SS ; c'est fonctionnellement identique.

Contrairement aux AO, les CI logiques numériques utilisent une seule référence de masse. Un signal « haut » signifie que la broche est à V_DD par rapport à la masse, tandis qu'un signal « bas » est à GND.

Toutes les entrées de porte inutilisées sont reliées soit à V_DD soit à GND. Les laisser flottantes peut laisser des charges parasites forcer les transistors internes dans un état indéfini, causant potentiellement une consommation de courant excessive ou des dommages. Les mettre à la masse ou les tirer au haut suffit ; le choix dépend du rail le plus accessible sur la plaque d'essai.

Ne reliez pas les sorties de porte inutilisées à un rail d'alimentation. Forcer une sortie à un niveau fixe court-circuiterait la porte et pourrait détruire la puce. Les sorties sont auto-générées et doivent rester libres de basculer.

Les deux résistances de 10 kΩ servent de dispositifs de tirage vers le bas. Lorsqu'un interrupteur est ouvert, la résistance tire l'entrée vers GND, assurant un état « bas » propre. Lorsque l'interrupteur se ferme, l'entrée est pilotée directement vers V_DD, donnant un état « haut ». Cela empêche l'entrée de flotter à cause de l'électricité statique parasite.

Avec le circuit assemblé, vous pouvez maintenant établir la table de vérité de la porte NAND expérimentalement. Placez les interrupteurs dans tous les états possibles et notez si la LED s'allume. Enregistrez les résultats comme suit :

Les colonnes étiquetées « A » et « B » représentent les deux interrupteurs d'entrée ; un interrupteur fermé indique un « 1 » logique, et un interrupteur ouvert (tiré vers le bas) indique un « 0 » logique. L'état de la LED montre la sortie de la porte. Après avoir complété les quatre combinaisons, comparez votre table à la table de vérité NAND standard.

Bien que cette configuration soit adaptée pour la porte NAND 4011, le même schéma à deux interrupteurs, deux résistances de tirage, LED fonctionne pour tout CI logique quadruple, à condition de consulter le bon diagramme de brochage. Rappelez-vous que les affectations de broches diffèrent entre les familles de CI.

Amélioration supplémentaire

Pour améliorer la clarté, ajoutez des LED pour afficher les niveaux d'entrée réels. Ainsi, vous pouvez vérifier qu'un interrupteur est correctement fermé ou ouvert sans l'inférer de sa position :

FEUILLE DE TRAVAIL ASSOCIÉE :

• Feuille de travail : Portes logiques de base