Créée le, 19/06/2015

 Mise à jour le, 29/12/2019

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  Composants avec sorties 3 États (TRI-STATE)         Buffer Bidirectionnel      Bas de page


Composants avec Sorties 3 États (Tri-State) ; Buffer Bidirectionnel :


Dans cette pratique, nous allons examiner les mémoires. Elles ont une grande importance en électronique numérique et sont très utilisées dans les systèmes à microprocesseurs.

Dans les expériences précédentes, vous avez déjà utilisé divers composants pour mémoriser des données. Le plus simple est la bascule qui permet d'enregistrer un seul bit ; un exemple a été donné dans la pratique précédente dans laquelle une bascule a été utilisée pour conserver la retenue.

Puisqu'une bascule ne peut mémoriser qu'un seul bit, lorsqu'elle est utilisée comme mémoire, on dit qu'elle a une capacité de 1 bit.

Les registres à décalages examinés précédemment permettent d'enregistrer une série de bits dont le nombre dépend du nombre d'étages.

Les bascules sont également utilisées comme diviseurs, convertisseurs série-parallèle ou parallèle-série, ou comme éléments de comptage.

Il existe par contre des composants uniquement utilisés pour conserver des données et qui, par conséquent, prennent le nom de mémoires.

Dans les exercices prévus dans cette pratique, vous allez expérimenter une mémoire permettant de mémoriser plusieurs milliers de bits.

Vous savez qu'il existe de nombreux types de mémoires, différentes entre elles selon l'usage auquel elles sont destinées. Toutes sont caractérisées par leur capacité définie par le nombre de bits qu'elles peuvent contenir, par leur temps d'accès (temps nécessaire pour lire ou écrire l'information).

Il existe, en outre, des mémoires de type RAM (Random Access Memories) ou mémoires à accès aléatoire, ROM (Read Only Memories) ou mémoires n'autorisant que la lecture, PROM (Programmable Read Only Memories) ou mémoires programmables à lecture autorisée seule, les EPROM ou UVPROM mémoires programmables à lecture autorisée uniquement, effaçables par ultra-violets, EAROM ou mémoires PROM effaçables électriquement.

Ces mémoires peuvent être de type statique ou dynamique et perdre l'information en l'absence d'alimentation (mémoires volatiles) ou la conserver (mémoires permanentes).

Nous ne pourrons expérimenter chaque catégorie de mémoires ; les EPROM par exemple, nécessitent un équipement spécial pour être programmées ; les mémoires dynamiques doivent être générées par des circuits dits de "rafraîchissement" assez complexes.

Nous utiliserons pour nos expériences une mémoire statique dont la capacité est 2 kilo-octets soit 2 x 8 x 1024 = 16 384 bits exactement.

Avec cette mémoire, vous allez utiliser deux autres circuits intégrés ; un compteur à douze étages et un buffer bidirectionnel TRI-STATE. Puisque ce dernier composant est tout nouveau, avant de vérifier pratiquement son fonctionnement, il convient de l'étudier au préalable.

HAUT DE PAGE 1. - COMPOSANTS AVEC SORTIES TROIS ÉTATS (TRI-STATE)

La figure 1 représente un exemple de raccordements réalisés entre cinq composants échangeant les données entre eux.

Exemple_de_raccordements_des_composants.gif

La flèche indique sur le schéma le sens de l'information (émetteur ou récepteur).

Nous pouvons voir sur cette figure la complexité et la structure anarchique du montage. En effet, le nombre des conducteurs de liaisons croît rapidement avec la complexité du circuit. Comme vous pouvez le remarquer dans la figure 1, nous avons besoins de 20 conducteurs pour cinq composants.

En général, pour un nombre n de composants, il faut un nombre de liaisons N = n (n - 1).

Il en résulte que le nombre de conducteurs croît avec l'augmentation du nombre de composants ce qui élève le coût des systèmes d'une manière inacceptable.

Ce problème est typique des mémoires de micro-ordinateurs dans lesquels on utilise de nombreux boîtiers de mémoires intégrées afin de disposer d'une mémoire importante.

Chaque circuit de mémoire contient une partie des données qui servent au micro-ordinateur et il est nécessaire de pouvoir "lire" ou "écrire" ces données dans une mémoire indépendamment des autres mémoires. Habituellement, c'est l'unité centrale de calcul, c'est-à-dire l'élément essentiel du micro-ordinateur qui utilise ces boîtiers mémoires et doit donc communiquer avec chacun d'eux.

Dans ce cas, la liaison entre l'unité centrale et chaque circuit de mémoire nécessite pour les raisons exposées précédemment un nombre excessif de conducteurs.

C'est pourquoi, afin de réduire le nombre de liaisons, il a été imaginé un autre système n'utilisant qu'une seule liaison pour mettre en communication entre eux tous les composants (figure 2).

Circuits_memoires_dans_l_unite_centrale.gif

Chacun des circuits de mémoire qui se présente à cette ligne commune de liaison avec l'unité centrale peut transmettre et recevoir des données de l'un des autres circuits ; cette ligne est généralement appelée en anglais bus (figure 3).

Ligne_BUS.gif



Sur cette ligne, plusieurs circuits de mémoire ne peuvent transmettre des données simultanément ; si plusieurs circuits cherchaient à le faire, il y aurait mélange des informations ce qui les rendraient inexploitables par le circuit récepteur. Par contre, plusieurs circuits de mémoire peuvent recevoir et utiliser les données transmises par un émetteur unique.

Voyons qu'elle est la technique utilisée pour parvenir à ce résultat. Nous supposerons pour la commodité de notre étude que nous voulons prélever avec un unique conducteur les niveaux fournis par deux inverseurs.

Si on réalisait simplement le raccordement en parallèle des deux sorties, comme on le voit dans la figure 4, en sortie on ne pourrait obtenir aucun signal utile. En effet, si la sortie de l'inverseur A est à 1, et la sortie de l'inverseur B à 0 par exemple, l'état sera 0 en TTL, et indéterminé mais généralement pris en compte comme un 1 (4 V pour une alimentation 5 V) en technologie MOS.

2_inverseurs_en_parallele.gif

Nous avons vu dans la théorie digitale 11 comment un multiplexeur permet de transmettre des signaux issus de plusieurs sources à travers une seule ligne (figure 5).

Transmission_de_2_signaux_d_un_multiplexeur.gif

Cependant, il existe des composants particuliers appelés TRI-STATE, avec lesquels il est possible d'obtenir le même résultat qu'avec un multiplexeur. Ces composants présentent la particularité de posséder outre un état bas et un état haut, un état dit "haute impédance".

La figure 6-a présente le symbole d'un circuit de ce type : il s'agit d'un buffer inverseur TRI-STATE qui, outre les classiques entrée et sortie, comporte une entrée de validation repérée dans la figure 6-a par la lettre E, initiale du mot anglais ENABLE qui signifie précisément valide.

Buffer_TRI-STATE.gif

Lorsque le niveau de l'entrée E est haut, le composant se comporte comme un inverseur normal, c'est-à-dire que sa sortie donne toujours un niveau complémentaire de celui qui est appliqué à son entrée.

Par contre, lorsque le niveau de E est bas, la sortie se met à l'état appelé "haute impédance".

Dans ces conditions, le circuit se comporte comme si sa sortie était connectée au point milieu d'un pont diviseur constitué de deux résistances de très fortes valeurs comme cela est représenté schématiquement à la figure 6-b.

En pratique, lorsque la sortie du buffer inverseur est à l'état "haute impédance", celle-ci est virtuellement isolée vis-à-vis de la masse et de la tension d'alimentation.

En utilisant des buffers inverseurs de type TRI-STATE, il est possible d'atteindre le but que nous nous étions fixés précédemment, à savoir, relier les deux sorties entre elles comme représenté figure 4 ; il suffit, en effet, que l'un des deux inverseurs se trouve à l'état "haute impédance" pour pouvoir lire le niveau disponible en sortie de l'autre inverseur TRI-STATE.

En procédant ainsi, les signaux délivrés par chacun des TRI-STATE ne peuvent se superposer ni s'influencer mutuellement (figure 7).

Raccordement_de_2_inverseurs_TRI-STATE.gif

Du point de vue structure, un composant avec sortie trois états n'est pas plus complexe qu'un composant classique.

La figure 8 représente le schéma de principe du circuit permettant de transformer un circuit CMOS standard en un circuit de type TRI-STATE.

Comme nous pouvons le voir, il comprend simplement deux transistors MOS reliés en série aux deux bornes d'alimentation (plus et masse).

Schema_de_transformation_CMOS_en_type_TRI-STATE.gif

Lorsque l'entrée de validation E est portée au niveau bas, les deux transistors MOS sont bloqués. Ils se comportent alors comme des résistances de valeurs extrêmement élevées (ROFF = 1012 MW) et le circuit CMOS se trouve en conséquence isolé de l'alimentation et donc isolé des autres circuits.

On trouve dans le commerce, outre les buffers précités, des portes, des bascules, des registres, des décodeurs et des multiplexeurs possédant un troisième état haute impédance.

Dans la figure 9, on peut voir le schéma de principe d'un inverseur TRI-STATE de type CMOS.

 Inverseur_CMOS_TRI-STATE.gif

Pour les composants de technologie T.T.L., la configuration des TRI-STATE est différente de celle des circuits MOS.

La figure 10 représente le schéma électrique d'une porte NAND T.T.L. TRI-STATE.

Porte_NAND_TRI-STATE.gif

La partie du circuit marquée en couleur bleue est celle qui, ajoutée au circuit de la porte NAND classique, la transforme en porte à trois états.

Lorsque l'entrée de validation E se trouve au niveau haut, la sortie de la porte se met à l'état haute impédance, tandis que lorsque E est au niveau bas, elle fonctionne normalement.

Il est très facile avec des TRI-STATE de constituer des circuits autour de lignes bus, il suffit en effet, que tous les circuits ayant accès au bus soient de type TRI-STATE.

En les validant au bon moment, on fait en sorte qu'un seul transmette à la fois et que les autres circuits soient à l'état "haute impédance" (figure 11).

Liaison_sur_le_bus_de_circuits_TRI-STATE.gif

Si par contre, les composants utilisés ne sont pas de type TRI-STATE, il est nécessaire d'interposer entre-eux et le bus, des buffers de type TRI-STATE.

HAUT DE PAGE 1. 1. - BUFFER BIDIRECTIONNEL

Lorsque la sortie d'un circuit doit commander un nombre élevé d'autres circuits, la puissance utile du signal de commande peut être insuffisante pour garantir une transmission correcte des données. Ce problème peut se résoudre en intercalant entre la sortie du circuit de commande et les entrées des circuits commandés un buffer qui permet d'amplifier la puissance du signal de commande.

Dans le cas où le buffer est relié au bus, on appelle ce circuit "circuit de pilotage de bus" ou en anglais "BUS DRIVER" (figure 12).

Bus_Driver.gif

Cependant, il arrive aussi qu'un circuit transmettant des données doit également en recevoir, comme nous l'avons vu précédemment dans l'exemple de la figure 3.

Il est donc nécessaire que le "driver de bus" autorise le passage de l'information dans les deux sens. On utilise alors des composants contenant deux buffers de type TRI-STATE reliés comme indiqué figure 13-a.

Montage_de_2_buffers_TRI-STATE.gif

Lorsque l'entrée D (initiale de direction) est à un niveau bas, le premier buffer est validé et le second est "haute impédance", le signal peut alors être acheminé dans la direction de haut en bas.

Lorsque par contre l'entrée D est à un niveau haut, la situation s'inverse : le buffer 1 est "haute impédance", et le buffer 2 est validé ; le signal peut être acheminé de bas en haut.

En raison de cette caractéristique, on appelle ce type de buffer : "buffer bidirectionnel" ou "driver de bus bidirectionnel" ou encore "transceiver", terme formé par la contraction de l'expression anglaise : transmitter-receiver (émetteur-récepteur).

On utilise quelquefois pour ce circuit le symbole graphique représenté figure 13-b.

Après cette explication théorique, vous pouvez préparer le matériel et effectuer le premier exercice au cours duquel vous allez vérifier pratiquement le fonctionnement du buffer bidirectionnel TRI-STATE.


  Cliquez ici pour la leçon suivante ou dans le sommaire prévu à cet effet.   Haut de page
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