Les portes logiques vues dans le chapitre précédent sont fabriquées en utilisant des transistors. Il existe de nombreuses manières pour concevoir des circuits à base de transistors, auxquelles on a donné le nom de familles logiques.. les plus connues portent les noms de DTL, RTL, TLL, CMOS et bien d'autre. En voici la liste et une description sommaire :

• Les logiques MOS (Metal Oxyde Silicium) utilisent des transistors à effet de champ, parfois couplés à des résistances. On distingue :
  • La logique NMOS, qui utilise des transistors NMOS associés à des résistances.
  • La logique PMOS, qui utilise des transistors PMOS associés à des résistances.
  • La logique CMOS, qui utilise des transistors PMOS et NMOS, sans résistances associées.
• Les autres logiques utilisent des transistors bipolaires et/ou des diodes
  • La logique à diodes n'utilise que des diodes pour fabriquer des portes logiques ;
  • La logique RTL (Resistance-Transistor Logic) utilise des résistances couplées à des transistors bipolaires ;
  • La logique DTL (Diode-Transistor Logic) utilise des diodes couplées à des transistors bipolaires ;
  • La logique TTL (Transistor-Transistor Logic) utilise uniquement des transistors bipolaires ;

Ce chapitre aborde les familles logiques qui utilisent des transistors à effet de champ. Il s'agit des technologies MOS, PMOS, NMOS et CMOS.

La technologie NMOS

Nous allons commencer avec la technologie NMOS, mais les circuits PMOS sont relativement similaires. Ceux-ci sont fabriqués avec des transistors MOS intercalés avec une résistance, qui relie directement la tension d'alimentation à la sortie.

Circuit en logique NMOS.

Leur fonctionnement est assez facile à expliquer. Quand la sortie doit être à 1, tous les transistors sont ouverts. Il n'y a pas de chemin qui relie la sortie à la masse. Par contre, la sortie est connectée à la tension d'alimentation, ce qui fait qu'elle est mise à 1. On place une résistance entre la tension d'alimentation et la sortie pour éviter que le courant qui la traverse soit trop fort dans cette situation. Quand la sortie doit être à 0, il y a au moins un transistor NMOS qui se ferme. Mais si un transistor NMOS se ferme et connecte l'alimentation à la masse, les choses changent. Les lois compliquées de l'électricité nous disent alors que la sortie est connectée à la masse, soit au zéro volts. Elle est donc mise à 0.

Fonctionnement d'un circuit en technologie NMOS.

Voici les circuits obtenus :

Les portes de base, utilisées pour fabriquer toutes les autres, sont les portes NON, NAND et NOR. Les portes ET et OU sont fabriqués en plaçant une porte NON à la suite d'une porte ET/OU.

La porte NON

Le circuit d'une porte NON en technologie NMOS est illustré ci-dessous. Le principe de ce circuit est assez simple : l'étude de seulement deux cas permet de le comprendre en détail. Si on envoie un 0 sur la grille du transistor, celui-ci s'ouvre et la sortie est reliée à la tension d'alimentation. A l'inverse, quand on met un 1 sur la grille, le transistor se ferme et la sortie est reliée à la masse, mise à 0. Le résultat est bien un circuit inverseur.

La porte NOR

La porte NOR est similaire à la porte NON, si ce n'est qu'il y a maintenant deux transistors en parallèles. Si une des grilles est mise à 1, un des transistors se fermera et la sortie est mise à 0. Par contre, quand les deux entrées sont à 0, les transistors s'ouvrent tous deux et la sortie est mise à 1. Le comportement obtenu est bien celui d'une NOR.

La porte NAND

La porte NAND fonctionne sur un principe similaire au précédent, si ce n'est qu'il faut que les deux grilles soient à zéro pour obtenir une sortie à 1. Pour mettre la sortie à 0 quand seulement les deux transistors sont ouverts, il suffit de les mettre en série, comme dans le schéma ci-dessous. Le circuit obtenu est bien une porte NAND.

NMOS-NAND-gate

Funktionsprinzip eines NAND-Gatters

Il existe des variantes de la porte précédente, où la résistance est remplacée par un générateur de courant, fabriqué avec des transistors NMOS.

Variantes de la porte NAND NMOS de base

La technologie PMOS

Les circuits en technologie PMOS ressemblent beaucoup aux circuits en technologie NMOS, si ce n'est qu'ils sont inversés. Rien d'étonnant à cela, les deux types de transistors, PMOS et NMOS, ayant un fonctionnement inverse. Là encore, les circuits PMOS sont construits d'une manière assez similaire aux circuits CMOS, si ce n'est que les transistors NMOS sont remplacés par une résistance qui relie ici la masse à la sortie.

Il est aussi possible de câbler les portes logiques autrement, en remplaçant les transistors NMOS d'un circuit NMOS par des PMOS. Mais dans ce cas, la tensions liée à la résistance doit être négative, égale à l'opposé de la tension d’alimentation.

La technologie CMOS

Dans cette section, nous allons montrer comment fabriquer des portes logiques en utilisant la technologie CMOS. Avec celle-ci, chaque porte logique est fabriquée à la fois avec des transistors NMOS et des transistors PMOS. On peut la voir comme un mélange entre la technologie PMOS et NMOS. Tout circuit CMOS est divisé en deux parties : une intégralement composée de transistors PMOS et une autre de transistors NMOS. Chacune relie la sortie du circuit soit à la masse, soit à la tension d'alimentation.

Principe de conception d'une porte logique/d'un circuit en technologie CMOS.

La première partie relie la tension d'alimentation à la sortie, mais uniquement quand la sortie doit être à 1. Si la sortie doit être à 1, des transistors PMOS vont se fermer et connecter tension et sortie. Dans le cas contraire, des transistors s'ouvrent et cela déconnecte la liaison entre sortie et tension d'alimentation. L'autre partie du circuit fonctionne de la même manière que la partie de PMOS, sauf qu'elle relie la sortie à la masse et qu'elle se ferme quand la sortie doit être mise à 0

Fonctionnement d'un circuit en logique CMOS.

La porte NON

Cette porte est fabriquée avec seulement deux transistors, comme indiqué ci-dessous.

Porte NON fabriquée avec des transistors CMOS.

Si on met un 1 en entrée de ce circuit, le transistor du haut va fonctionner comme un interrupteur ouvert, et celui du bas comme un interrupteur fermé : la sortie est reliée au zéro volt, et vaut donc 0. Inversement, si on met un 0 en entrée de ce petit montage électronique, le transistor du bas va fonctionner comme un interrupteur ouvert, et celui du haut comme un interrupteur fermé : la sortie est reliée à la tension d'alimentation, et vaut donc 1.

Porte NON fabriquée avec des transistors CMOS - fonctionnement.

La porte NAND

Voici en exclusivité comment créer une porte NAND à deux entrées avec des transistors CMOS !

Porte NAND fabriquée avec des transistors.

Porte NAND fabriquée avec des transistors.

La porte NOR

Implémenter une porte NOR à deux entrées avec des transistors CMOS ressemble à ce qu'on a fait pour la porte NAND.

Porte NOR fabriquée avec des transistors.

Porte NOR fabriquée avec des transistors.

Portes XOR et NXOR

Il est possible de créer une porte XOR en combinant d'autres portes logiques. Il est notamment possible de la concevoir en utilisant uniquement des portes NOR ou des portes NAND. On peut cependant simplifier le circuit en remplaçant certaines portes NOR ou NAND par des inverseurs ou des portes ET/OU.

Circuits équivalents à une porte en CMOS

Les avantages et inconvénients respectifs du NMOS, PMOS et CMOS

De nos jours, la quasi-totalité des circuits électroniques est basé sur une technologie CMOS, les technologies NMOS et PMOS étant quasiment abandonnées. Les raisons à cela sont multiples, chaque technologie ayant des avantages et des inconvénients divers. L'avantage principal du CMOS sur les autres technologies tient surtout à sa faible consommation en énergie. Pour comprendre pourquoi le CMOS consomme moins, reprenons les schémas précédent pour une porte NON (les raisonnements que nous allons suivre valent pour toutes les portes logiques, mais sont plus simples avec une porte NON).

Avec les technologies NMOS et PMOS, la sortie est reliée à la tension VDD par une résistance. Quand la sortie est à 1, le courant passe dans la résistance, ce qui fait qu'une puissance égale à ${\displaystyle Vdd^{2} \over R}$ est dissipée par la résistance. Il s'agit d'une perte sèche d'énergie, une consommation d'énergie inutile. Vu que cette perte continue tant que la sortie est maintenue à 1, on lui donne le nom de consommation statique. Par contre, les circuits CMOS n'ont pas de résistances, mais uniquement des transistors, ce qui fait qu'il n'y a pas de dissipation statique de puissance.

Cela ne signifie pas qu'il n'y a pas de consommation d'énergie dans les transistors. Par exemple, ils dissipent un peu d'énergie quand on les fait passer de l'état bloqué à passant (ou inversement). Mais cette consommation d'énergie n'a pas lieu en permanence, tant que la sortie est maintenue. Il faut au contraire que la sortie change de valeur pour que de l'énergie soit dissipée, raison pour laquelle cette consommation d'énergie est appelée la consommation dynamique. Elle est présente dans les circuits CMOS, mais aussi dans les NMOS et les PMOS, qui sont à égalité de ce point de vue. Pour résumer, si tous les circuits ont une dissipation d'énergie d'origine dynamique, les CMOS n'ont pas de consommation statique, ce qui leur donne un avantage en terme de consommation d'électricité.