Comprendre l'électronique par la simulation.
par Serge Dusausay  Espace lecteur  plan du site


 Article 05 
   Quelques informations supplémentaires des pages 41 à 44 du livre.


Le livre montre comment déterminer le temps de traversée d'un inverseur logique :
il suffit de réaliser un oscillateur en anneau à l'aide d'une chaîne d'inverseurs rebouclée (page 43).
Est présentée ci-dessous le résultat d'une manipulation similaire à celle montrée dans le livre.

OSCILLATEUR EN ANNEAU

La structure de ces oscillateurs est telle que la fréquence de travail est, en général, très élevée.

Cela a pour conséquence expérimentale d'avoir des difficultés de mesure directe : reflexion le long des câbles, perturbations par l'équipement de mesure...

Une première solution est de câbler, en sortie de l'oscillateur en anneau, un diviseur de fréquence, de façon à abaisser la fréquence des signaux à mesurer. Connaissant le rapport de division, il est alors aisé de connaître la fréquence de l'oscillation.
Une deuxième solution est de travailler avec un nombre important d'inverseurs, ce qui augmente directement la période du cycle d'oscillation, et améliore l'aspect "logique" de la forme d'onde circulant dans la structure.
On peut également mixer les 2 solutions : nombre important d'inverseurs et diviseur de fréquence (lire 2.c, page 43).

Pour notre manipulation, il a été choisi d'exploiter 3 boîtiers 74 HCT 04, alimenté en 5 V.
Chaque boîtier contient 6 inverseurs. L'oscillateur a été réalisé avec 17 inverseurs, selon un schéma identique à celui de la page 43.

Afin de réduire la perturbation dûe à la présence de l'oscilloscope, la mesure a été réalisée au travers d'une sonde atténuatrice par 10. Le rôle d'une telle sonde est souvent rappelé dans ce site, et notamment dans l'article 09 (livre et site).

Un oscillogramme donne :
recopie d'écran scannérisée
Oscillateur en anneau, 17 inverseurs CMOS 74 HCT 04
50 ns / carreau CH1 : 1 V / c


Interprétation :
Un signal périodique, d'amplitude 5 V est créé par ce système oscillant.
Les transitions sont franches, et on observe un net dépassement transitoire et une oscillation quasi entretenue sur les niveaux haut et bas.

La fréquence mesurée (4,902 MHz) donne une période de 244 ns, pour les 17 inverseurs CMOS.
Il est facile de vérifier que celle-ci s'écrit :
T = 17 tpLH + 17 tpHL.
Ce qui peut s'écrire également :
T = 34 tpmoy
avec :
tpmoy = (tpLH + tpHL)/2

L'application numérique donne :
tpmoy = 7,19 ns

Le constructeur (Philips Semiconductors) donne, dans les "data sheet" :
tpHL = tpLH = 10 ns typique

Ce chiffre est donné pour une charge de 50 pF.

Dans cet essai, il n'y avait aucune charge, sauf sur un potentiel, le point de mesure, qui était l'oscilloscope utilisé avec une sonde, ce qui ramène un condensateur d'environ 11 pF.
Il est donc normal de trouver des temps plus courts.

On peut remarquer que les transistors formant l'inverseur 74 HCT 04 sont plus rapides en réalité que ceux simulés dans l'article 05.
En fait, comme indiqué en page 42, les transistors modélisés dans la simulation de l'article 05 ne correspondent pas à une technologie particulière.

REPONSE A UNE ENTREE ANALOGIQUE

La caractéristique de transfert statique peut s'établir à l'oscilloscope en XY, en injectant en entrée d'un inverseur, un signal basse fréquence de type rampe, allant de 0 V à + 5 V.

On présente ci dessous en temporel.
La commutation est très rapide, et accompagnée d'oscillations dans la faible zone d'incertitude.
Ce régime transitoire perturbe même la mesure du signal d'entrée, issu d'un GBF.

Est présenté ci dessous la réponse transitoire :

recopie d'écran scannérisée
Réponse expérimentale
100 us / carreau haut : CH1 : 1 V / c bas : CH2 : 5 V / c

Interprétation :
Le signal d'entrée est triangulaire, de fréquence 2 kHz, ce qui permet de balayer toutes les tensions entre 0 V et 5 V.
La sortie de l'inverseur commute de l'état haut à l'état bas :
- pour une tension d'entrée inférieure à 1,3 V environ, l'inverseur délivre un état haut, (5 V)
- pour une tension d'entreé supérieure à 1,3 V environ, l'inverseur délivre un état bas, (0 V)
- les tensions entre 1 V à 1,4 V, sont dans la zone d'incertitude : l'inverseur bascule d'un état à l'autre, mais ce phénomène n'est pas reproductif. De plus, le basculement provoque une perturbation au sein du circuit, et peut refaire basculer dans l'autre sens la sortie. La pente du signal d'entrée est ici très faible (5 V en 250 us), ce qui signifie que la zone d'incertitude est traversée en 20 us, durée pendant laquelle l'inverseur oscille.
Ce cas de figure n'arrive pas quand les signaux d'entrée sont de type logique, c'est à dire à transition rapide.


ASPECT TECHNOLOGIQUE

Consultez également le complément de l'article 04 pour avoir une idée de la constitution d'un inverseur CMOS.

fin de l'article 05

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