Comprendre la porte NON (inverseur) dans les circuits TTL

Un inverseur à transistor unique, bien qu'illustratif, manque de performances requises pour la logique numérique réelle. Les portes NON pratiques emploient plusieurs transistors pour obtenir un gain de tension élevé, assurant que le transistor de sortie fonctionne proprement soit en coupure complète, soit en saturation complète, et intègrent des éléments de protection contre les dommages accidentels.

Schéma pratique de l'inverseur TTL

Voici un schéma complet d'une porte NON TTL fonctionnelle, incorporant tous les composants essentiels pour un fonctionnement fiable à haut gain :

Le design repose uniquement sur des résistances, diodes et transistors bipolaires (BJT). Des topologies alternatives, comme celles utilisant des transistors à effet de champ (FET), peuvent aussi réaliser l'opération NON et sont couvertes plus loin dans ce guide.

Analyse du fonctionnement du circuit de la porte NON

Entrée haute

Considérons d'abord le cas où le niveau logique d'entrée est haut (binaire « 1 »). Ce scénario peut être modélisé en connectant la broche d'entrée à la tension d'alimentation Vcc via un interrupteur :

Avec l'entrée pilotée haut, la diode D1 devient polarisée en inverse et ne conduit aucun courant. Son unique but est de protéger le transistor contre les tensions négatives accidentelles appliquées à l'entrée.

Dans ces conditions, la jonction base-émetteur du transistor Q1 reste non conductrice. Cependant, Q1 n'est pas utilisé au sens conventionnel ; il fonctionne comme une paire de diodes dos à dos. Le schéma simplifié ci-dessous illustre ce rôle :

Les deux diodes dans Q1 dirigent le courant vers ou loin de la base de Q2, selon le niveau logique d'entrée. Pour comprendre cette action de direction, imaginez un circuit simplifié ne consistant que des jonctions base-émetteur de Q2 et Q4 représentées comme des diodes simples, avec le reste du circuit retiré :

Lorsque l'interrupteur d'entrée est en position « haute » (connecté à Vcc), aucun courant ne traverse la diode de direction gauche de Q1 car il n'y a pas de boucle de tension pour entraîner les électrons. Cependant, le courant traverse la diode de direction droite, la diode base-émetteur de Q2 et la diode base-émetteur de Q4 :

Cela signifie que dans l'inverseur réel, Q2 et Q4 reçoivent du courant de base et s'activent, permettant le passage du courant de collecteur. La tension chutée du nœud à la jonction des deux diodes de direction vers la masse est d'environ 2,1 V — la somme de trois jonctions PN silicium (la diode de direction droite, la jonction base-émetteur de Q2 et la jonction base-émetteur de Q4).

Entrée basse

Maintenant, déplaçons l'interrupteur d'entrée en position « basse » et observons le comportement résultant :

Dans cet état, tout le courant traverse la diode de direction gauche de Q1 et aucun ne traverse la droite. Bien qu'un chemin complet semble exister pour le courant à travers la diode droite et la série de Q4 et Q2, la tension directe de la diode gauche (~0,7 V pour le silicium) est insuffisante pour polariser directement la série des deux autres diodes, empêchant tout courant de base dans Q2 ou Q4. Par conséquent, les deux transistors restent en coupure.

Lorsque l'entrée est haute, la diode de direction gauche ne présente pas de chute de tension, permettant à la diode droite de conduire le courant de base dans Q2 via la résistance R1 :

Avec une excitation de base suffisante, Q2 sature, tirant R3 assez bas pour polariser directement la jonction base-émetteur de Q4, qui sature également. Le nœud de sortie est alors effectivement court-circuité à la masse, produisant un « 0 » logique. La diode D2 empêche Q3 de s'activer, le maintenant en coupure.

Analyse de sortie pour entrée basse

Inversement, lorsque l'entrée est basse, le courant traverse la diode de direction gauche de Q1, éteignant Q2 et Q4. La base de Q3 reçoit une tension suffisante pour polariser directement sa jonction base-émetteur, le poussant en saturation. La sortie monte à un niveau haut (typiquement autour de 4 V, selon la charge et la saturation), satisfaisant le « 1 » logique. Ainsi, l'inverseur fournit une inversion logique parfaite : une entrée « 1 » donne une sortie « 0 » et vice versa.

Observations sur le circuit

Une caractéristique notable de cet inverseur TTL est que l'entrée prend par défaut un niveau logique haut lorsqu'elle est laissée flottante. Dans ce cas, aucun courant ne traverse la diode de direction gauche, et tout le biais de R1 est appliqué à la base de Q2, l'activant et tirant la sortie bas :

Logique Transistor-Transistor (TTL)

La tendance des portes TTL à prendre un état haut lorsqu'elles flottent est une caractéristique fondamentale de la famille Transistor-Transistor Logic. Ce comportement simplifie la conception des sorties de portes, surtout quand la sortie d'une porte pilote l'entrée d'une autre, car une entrée TTL n'a besoin que d'un chemin vers la masse pour indiquer un état bas et peut rester flottante pour indiquer un état haut.

Courants de sourçage et de puits

Courants de sourçage

Une porte TTL peut à la fois sourcer et absorber du courant via son étage de sortie en totem-pole. Lorsque la sortie est haute, le Q3 saturé connecte le nœud de sortie à Vcc, permettant au courant de circuler depuis la charge, à travers l'émetteur de Q3, et retour vers l'alimentation :

Conceptuellement, la sortie peut être vue comme un interrupteur à double position : quand la porte sort un haut, l'interrupteur connecte la sortie à Vcc ; quand elle sort un bas, l'interrupteur connecte la sortie à la masse.

Courants de puits

Lorsque la sortie est basse, le transistor Q4 connecte la sortie à la masse, permettant au courant de circuler depuis l'alimentation, à travers la charge, et dans l'émetteur de Q4 :

Ces capacités doubles — sourcer quand haut et absorber quand bas — sont essentielles pour piloter une large gamme de charges numériques.

Exigences pour le fonctionnement TTL

Les entrées TTL sont conçues pour n'accepter qu'un courant d'absorption ; elles sont intrinsèquement hautes lorsqu'elles flottent. Par conséquent, une porte pilotant une entrée TTL n'a besoin de fournir qu'un chemin d'absorption pour générer une entrée basse. Cela élimine le besoin pour la porte pilote de sourcer du courant vers l'entrée réceptrice.

Sortie collecteur ouvert

Puisque les entrées TTL ne nécessitent pas de sourçage de courant, l'étage de sortie peut être simplifié en retirant Q3, résultant en une configuration collecteur ouvert. La sortie peut alors être tirée haute par une résistance externe :

Le symbole standard pour une porte inverseur à collecteur ouvert est montré ci-dessous :

Révision

• Une porte NON (inverseur) produit le niveau logique opposé à sa sortie : une entrée basse donne une sortie haute, et une entrée haute donne une sortie basse.
• Les portes TTL — construites à partir de résistances, diodes et BJT — offrent un haut gain de tension et une protection robuste. Des familles alternatives, comme la logique à base de FET, sont également disponibles.
• Quand une porte « source » du courant, elle connecte la sortie à la tension d'alimentation positive, fournissant un niveau logique haut.
• Quand une porte « absorbe » du courant, elle connecte la sortie à la masse, fournissant un niveau logique bas.
• Les sorties en totem-pole peuvent à la fois sourcer et absorber du courant, tandis que les sorties collecteur ouvert ne peuvent qu'absorber. Les portes collecteur ouvert sont bien adaptées pour piloter des entrées TTL car les entrées TTL n'ont jamais besoin de sourcer du courant.

Fiches d'exercices associées

• Fiche d'exercices sur les portes logiques TTL
• Fiche d'exercices sur les portes logiques de base