Bascules à transistors : Circuits logiques séquentiels fondamentaux pour le stockage binaire fiable

Vous souhaitez apprendre ou concevoir des circuits numériques comme ceux présents dans les ordinateurs, équipements de communication et systèmes similaires ? Le premier élément à étudier est la bascule à transistors (flip-flop).

Les éléments constitutifs fondamentaux des bascules sont les portes logiques, modèles électroniques idéalisés implémentant des fonctions booléennes. Ces portes peuvent contenir plusieurs composants (condensateurs, résistances), mais sont principalement réalisées avec des transistors.

Nous détaillons ci-dessous les différents types de circuits bascules et leurs schémas de câblage. Lisez la suite pour apprendre à les réaliser pour vos projets.

Qu'est-ce qu'une bascule (Flip-Flop) ?

Une bascule est un circuit logique séquentiel doté d'une mémoire intégrée. Elle utilise donc les données des entrées actuelles, des entrées précédentes et/ou des sorties précédentes pour déterminer son état.

Le circuit se compose de plusieurs portes logiques aboutissant à deux états stables (niveau logique 0 ou 1), ce qui en fait un multivibrateur bistable.

La différence entre un verrou (latch) et une bascule (flip-flop) est que cette dernière est déclenchée par front (edge-triggered). Le déclenchement par front signifie qu'un signal de contrôle (généralement une horloge dédiée) coordonne les actions du circuit numérique, en faisant un système synchrone.

En revanche, un verrou est déclenché par niveau (level-triggered) : sa sortie peut changer dès que les entrées changent, sans impulsion d'horloge, ce qui en fait un système asynchrone.

Il est important de noter que les verrous sont les éléments de base des bascules, et qu'ils sont des éléments de mémoire volatile perdant leurs données en cas de coupure d'alimentation.

Types de bascules

Il existe quatre types de bascules, chacun avec un circuit et une table de vérité distincts.

Bascule SR (Set-Reset)

La bascule SR tire son nom de ses entrées S (Set) et R (Reset).

C'est la plus courante, la plus simple, et sa table de vérité ressemble à celle du verrou SR.

Bascule JK

La bascule JK améliore la conception SR en garantissant que S et R ne sont jamais hauts simultanément, éliminant ainsi l'état interdit.

Bascule D (Data / Delay)

Également appelée bascule « Donnée » ou « Délai », ce circuit est une cellule mémoire d'un bit avec une seule entrée de données (D). C'est la plus utilisée en électronique numérique pour créer des registres et des compteurs.

La sortie ne change qu'au front montant de l'horloge, ce qui donne cette table de vérité :

Bascule T (Toggle)

La bascule T est une version à entrée unique de la bascule JK, les deux entrées J et K étant reliées pour former l'entrée T. « T » signifie « Toggle » (basculement) car le circuit peut inverser son état.

Applications des bascules

• Compteurs
• Diviseurs de fréquence
• Registres de stockage
• Registres à décalage
• Verrous (latches)
• Mémoires
• Élimination des rebonds (switch debouncing)
• Stockage de données
• Transfert de données
• Registres

Circuits de bascules à transistors discrets

Les portes logiques sont les éléments principaux des bascules, mais ce sont des modèles représentant la logique. Les vrais circuits électriques utilisent des composants couplés en retour pour contrôler le flux de courant. Les valeurs de leurs tables de vérité indiquent soit un 1 binaire (tension haute) soit un 0 (tension basse). Ils incluent transistors, résistances et condensateurs. Voici comment réaliser trois circuits courants.

La bascule à un seul transistor

Comme les bascules conventionnelles, ce type stocke un bit de données, possède des entrées Set et Reset, et une boucle de rétroaction pour maintenir les états stables.

Outre le transistor NPN, le circuit comprend deux diodes, deux condensateurs, six résistances et une LED.

D'après le schéma, on met la bascule à 1 en appliquant une impulsion 5 V sur C2. Cela élève la tension de base du transistor et amplifie le signal d'horloge. C1 et D1 redressent le signal de sortie, faisant apparaître une tension DC sur C2.

Le circuit maintient une boucle de rétroaction positive qui maintient la bascule en état ON. D2 empêche la saturation du transistor (courant excessif), ce qui supprimerait le signal de rétroaction positive.

Pour éteindre le circuit, déchargez C2 ou supprimez le signal d'horloge brièvement. Même si vous reconnectez l'horloge, la bascule reste OFF car les résistances 6,8 kΩ et 3,3 kΩ et le condensateur C2 atténuent fortement l'entrée haute.

Circuit bascule D avec transistors

Une bascule type D a un verrou D commandé comme base, auquel s'ajoute un circuit d'horloge pour la rendre déclenchée par front.

La partie inférieure (transistor, condensateur, trois résistances) forme le mécanisme d'horloge. Une horloge externe fournit la tension de base ; le transistor ne transmet la donnée d'entrée que lorsqu'il a une tension de base positive.

La résistance R6 et le condensateur C1 transforment le signal d'horloge carré en pics aigus pour détecter le front montant.

Globalement, la section verrou a deux transistors et quatre résistances. Le signal d'entrée passe de la section horloge au transistor du verrou.

Si la sortie Q est à 0, appliquer un signal positif sur l'horloge et sur Data In change l'état stocké à 1. L'horloge charge la base du transistor et polarise en direct la jonction base-collecteur. Quand le signal Data In positif arrive, il provoque un faible courant du bas vers le collecteur et dans le verrou, déclenchant le changement d'état à Q=1. Pour appliquer un 0, on met Data In à la masse, ce qui ramène Q à 0 et stocke ce bit.

Bascule T avec transistors discrets

Les bascules T sont très similaires aux bascules D, mais au lieu d'une entrée Data In, la broche reçoit son signal depuis la sortie complémentaire Q'.

Le but est d'avoir une entrée de données basse quand la sortie est haute, et haute quand la sortie est basse. Q' est donc essentiel.

Cependant, dans un circuit discret, le système ne fonctionnerait pas car cela équivaudrait à relier la base du transistor à son collecteur. On résout ce problème en ajoutant un condensateur C2 en série et une résistance R8 reliée à la sortie Q.

Le condensateur crée un décalage entre les signaux d'entrée et de sortie, tandis que la résistance décharge le condensateur. Ces deux éléments assurent le basculement continu des états de sortie du transistor.

Résumé

En conclusion, les bascules à transistors sont les blocs fondamentaux de la plupart des circuits électroniques et informatiques grâce à leur fonction de mémoire intégrée.

Si votre projet nécessite de tels circuits, il est plus économique d'acheter les composants décrits ci-dessus et de construire l'unité vous-même.

Contactez-nous pour en savoir plus sur ces composants et les circuits imprimés nécessaires pour monter ces circuits.