Maîtriser la conception de circuits numériques : votre guide complet

Les circuits numériques ou l'électronique numérique sont des circuits électroniques qui utilisent des signaux numériques. Ils diffèrent 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. Typiquement, les concepteurs utilisent de grands assemblages de portes logiques sur circuits intégrés pour créer des circuits numériques.

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

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 19e 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 pourraient effectuer des opérations logiques en commutant des circuits électriques. Ensuite, 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, des éléments de circuit 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 révolutionné de façon spectaculaire l'industrie électronique. Depuis la fin du 20e siècle, le transistor MOSFET a joué un rôle intégral dans la construction de circuits numériques. Actuellement, c'est le dispositif semi-conducteur le plus populaire au monde.

Initialement, chaque puce de circuit intégré n'avait que quelques transistors. À mesure que la technologie avançait, il est devenu 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. C'est la preuve de combien les circuits numériques ont progressé depuis leurs débuts.

Propriétés des circuits numériques

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

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

Lorsque vous utilisez des systèmes numériques contrôlés par ordinateur, il est possible d'ajouter beaucoup plus de fonctions en utilisant une révision logicielle. En d'autres termes, vous n'avez pas besoin de changements matériels. De plus, vous pouvez introduire n'importe quelles améliorations dans 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 d'information plus accessible. C'est parce que les systèmes numériques sont immunisés contre les interférences et peuvent stocker et récupérer des données sans dégrader les performances.

Beaucoup des derniers systèmes numériques traduisent généralement des systèmes analogiques continus en signaux numériques. Cela peut causer 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 à un degré de fidélité souhaitable.

Construction des circuits numériques

Les ingénieurs utilisent diverses façons de construire des portes logiques. Nous en examinerons certaines ci-dessous.

Construction à l'aide de portes logiques

Les fabricants de circuits numériques utilisent généralement de petits circuits électroniques connus sous le nom de portes logiques pour créer des circuits numériques. Avec ces portes logiques, il est possible de créer de la logique combinatoire. Chaque porte logique agit sur des signaux logiques pour effectuer une fonction de logique booléenne. Généralement, les concepteurs utilisent des commutateurs contrôlés électroniquement pour créer des portes logiques. Habituellement, ces commutateurs sont des transistors. Les valves thermioniques peuvent aussi aider à faire le même travail. La sortie d'une porte logique peut alimenter d'autres portes logiques ou les contrôler.

Construction à l'aide de tables de recherche

Le second type de circuits numériques présente une construction à partir de tables de recherche. Typiquement, les tables de recherche effectuent des fonctions similaires aux circuits numériques basés sur des portes logiques. Un avantage significatif des canaux numériques basés sur des tables de recherche est que les concepteurs peuvent facilement les reprogrammer sans faire de changements au câblage. En d'autres termes, il est facile de réparer les erreurs de conception sans avoir besoin de changer l'arrangement des fils. Lorsque l'on traite des produits à faible volume, les concepteurs préfèrent ainsi les dispositifs logiques programmables aux autres types de circuits numériques. Dans la conception de ces dispositifs logiques programmables, les ingénieurs utilisent généralement des logiciels d'automatisation de conception.

Circuits intégrés

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

Conception de circuits numériques

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

Représentation

La représentation est une partie essentielle quand il s'agit de la conception de circuits numériques. La façon classique dont les ingénieurs représentent les circuits numériques est d'utiliser un ensemble équivalent de portes logiques où les concepteurs utilisent une forme différente pour représenter chaque symbole logique. Les ingénieurs peuvent aussi construire un système équivalent de commutateurs électroniques pour représenter les circuits numériques. Les représentations ont généralement des formats de fichiers numériques pour l'analyse automatisée.

Combinatoire vs Séquentiel

Dans le choix des images, les concepteurs considèrent généralement divers types de systèmes numériques. Les deux groupes courants 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, d'autre part, sont des systèmes combinatoires qui renvoient certaines des sorties comme entrées.

Il y a deux sous-catégories supplémentaires de systèmes séquentiels : les systèmes séquentiels synchrones qui changent d'état tous en même temps et les systèmes séquentiels asynchrones qui changent chaque fois que les entrées changent.

Conception d'ordinateur

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

Préoccupations de conception dans les circuits numériques

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

Outils de conception de circuits numériques

Au fil des ans, les ingénieurs ont conçu de grandes machines logiques qui visent à minimiser l'effort d'ingénierie coûteux. Actuellement, il existe des programmes informatiques connus sous le nom d'outils d'automatisation de conception électronique (EDA) qui existent pour ce but. Par exemple, il y a un logiciel de fabricabilité qui fournit une excellente assistance aux concepteurs de circuits numériques.

Test d'un circuit logique

La raison principale pour laquelle les ingénieurs testent un circuit logique est de vérifier si la conception répond aux spécifications de temporisation 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.

Considérations de conception de circuits numériques

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

Relais

La première conception de canaux numériques comportait la logique à relais. Cette conception était fiable et peu coûteuse. Cependant, elle était lente, et il y avait des défaillances mécaniques occasionnelles. Il y avait généralement dix fanouts qui s'arquaient sur les contacts.

Tubes à vide

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

Logique résistance-transistor

C'était la première famille logique à semi-conducteurs. La logique résistance-transistor était des milliers de fois plus fiable que les tubes. Elle utilisait beaucoup moins d'énergie et fonctionnait plus froid. Cependant, son fan-out était très bas : 3 au total. Plus tard, la logique diode-transistor a augmenté le fan-out à 7 et a encore réduit la puissance.

Logique transistor-transistor

Une amélioration spectaculaire par rapport aux logiques précédentes, la logique transistor-transistor avait un fan-out de 10. Plus tard, ce fan-out s'est amélioré à 20. Cette logique était aussi remarquablement rapide. La logique est encore utilisée aujourd'hui dans des conceptions de circuits numériques spécifiques.

Logique à émetteur couplé

Le modèle à émetteur couplé est incroyablement rapide. Cependant, cette logique utilise beaucoup d'énergie. Les ordinateurs haute performance avec des composants à moyenne échelle utilisent largement cette logique.

Logique CMOS

La logique CMOS est de loin la logique la plus populaire pour les circuits intégrés aujourd'hui. La logique est rapide, fournit une haute densité de circuit 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 :

Utilisation de memristors

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

La découverte de RSFQ

Les chercheurs ont également découvert la supraconductivité. Cette découverte permet aux ingénieurs de développer une technologie de circuit à flux quantique unique rapide (RSFQ) qui utilise des jonctions de Josephson plutôt que des transistors. Les ingénieurs ont plus récemment tenté de construire des systèmes informatiques purement optiques qui peuvent traiter l'information numérique en utilisant des 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 susceptibilité au bruit et à la dégradation de qualité, ces circuits sont bien plus préférables aux circuits analogiques. Et avec les ingénieurs et chercheurs se dédiant au progrès du domaine des canaux numériques, la conception et la performance de ces dispositifs ne feront que s'améliorer.

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