Les Portes Logiques et Circuits – Version imprimable

Qu’est-ce qu’une Porte Logique ?

Une porte logique est un circuit électronique qui réalise une opération booléenne. Elle possède une ou plusieurs entrées et une sortie dont l’état dépend des états des entrées selon une fonction logique définie.

Principe de fonctionnement :

Les portes logiques sont constituées de transistors qui agissent comme des interrupteurs électroniques. Un transistor peut être dans deux états : passant (1) ou bloqué (0). En combinant plusieurs transistors, on crée des fonctions logiques complexes.

Représentation des portes logiques

Il existe deux normes principales pour représenter les portes logiques :

Norme américaine (ANSI/MIL) : utilise des formes géométriques distinctives
Norme européenne (IEC) : utilise des rectangles avec des symboles

Dans cette fiche, nous utiliserons principalement la norme américaine, plus répandue en électronique amateur.

Les Portes Logiques Fondamentales

1. Porte NON (NOT / Inverseur)

Symbole : Porte NON

Fonction : Inverse l’état de l’entrée

Équation : Sortie = Ā

2. Porte ET (AND)

Symbole : Porte ET

Fonction : Sortie à 1 si TOUTES les entrées sont à 1

Équation : Sortie = A · B

3. Porte OU (OR)

Symbole : Porte OU

Fonction : Sortie à 1 si AU MOINS UNE entrée est à 1

Équation : Sortie = A + B

4. Porte NON-ET (NAND)

Fonction : ET suivi d’une inversion (porte universelle)

Équation : Sortie = A · B

⭐ Porte universelle : La NAND est dite « universelle » car on peut créer toutes les autres portes logiques uniquement avec des NAND. C’est la raison pour laquelle le circuit intégré 7400 (quad NAND) est l’un des plus utilisés.

5. Porte NON-OU (NOR)

Fonction : OU suivi d’une inversion (porte universelle)

Équation : Sortie = A + B

6. Porte OU Exclusif (XOR)

Fonction : Sortie à 1 si les entrées sont DIFFÉRENTES

Équation : Sortie = A ⊕ B

🔧 Application pratique : Détecteur de changement

Une porte XOR peut détecter si deux signaux sont différents. En radio amateur, on peut l’utiliser pour comparer un signal reçu avec un signal de référence et détecter les variations.

🔢 Tableau Récapitulatif des Portes

Porte	Symbole	Équation	Sortie = 1 si…
NOT	Triangle + cercle	Ā	A = 0
AND	Forme D	A · B	A = 1 ET B = 1
OR	Forme bouclier	A + B	A = 1 OU B = 1
NAND	AND + cercle	A · B	PAS (A = 1 ET B = 1)
NOR	OR + cercle	A + B	A = 0 ET B = 0
XOR	OR avec double entrée	A ⊕ B	A ≠ B

Familles Logiques

Les portes logiques sont fabriquées selon différentes technologies, appelées familles logiques. Chaque famille a ses propres caractéristiques de vitesse, consommation et niveaux de tension.

Principales familles

TTL

Transistor-Transistor Logic

Tension :	5V
Vitesse :	Moyenne
Conso :	Élevée

CMOS

Complementary MOS

Tension :	3-15V
Vitesse :	Variable
Conso :	Très faible

74HC

High-Speed CMOS

Tension :	2-6V
Vitesse :	Rapide
Conso :	Faible

74LS

Low-Power Schottky

Tension :	5V
Vitesse :	Rapide
Conso :	Moyenne

Choix de la famille :

74HC : Excellent choix pour la plupart des projets amateurs (faible consommation, bonne vitesse)
74LS : Pour compatibilité avec circuits anciens
CMOS 4000 : Pour très faible consommation (batteries)
74AC/ACT : Pour applications haute fréquence

Circuits Intégrés Classiques

Les portes logiques sont regroupées dans des circuits intégrés (CI ou IC en anglais). Voici les plus courants en format DIP (Dual In-line Package) à 14 ou 16 broches :

7400 Quad NAND

4 portes NAND à 2 entrées

La porte universelle par excellence. Indispensable pour tout projet de logique combinatoire.

7402 Quad NOR

4 portes NOR à 2 entrées

Autre porte universelle, très utile pour certains montages.

7404 Hex NOT

6 inverseurs

Pour inverser des signaux logiques.

7408 Quad AND

4 portes AND à 2 entrées

Pour fonctions ET simples.

7432 Quad OR

4 portes OR à 2 entrées

Pour fonctions OU simples.

7486 Quad XOR

4 portes XOR à 2 entrées

Comparateurs, détecteurs de parité.

7410 Triple NAND-3

3 portes NAND à 3 entrées

Quand plus de 2 entrées sont nécessaires.

7411 Triple AND-3

3 portes AND à 3 entrées

ET à 3 entrées.

⚠️ Attention : Les circuits intégrés logiques nécessitent :

Condensateur de découplage (100nF) entre Vcc et GND, proche du CI
Respect strict de la polarité d’alimentation
Ne jamais laisser d’entrée CMOS « en l’air » (flottante)
Protection contre les décharges électrostatiques (ESD) pour les CMOS

Caractéristiques Électriques Importantes

1. Fan-out (Facteur de charge)

Le fan-out est le nombre maximal d’entrées qu’une sortie peut piloter sans dégrader le signal.

💡 Exemple

Un 7400 TTL a un fan-out de 10 : une sortie peut piloter jusqu’à 10 entrées TTL standard.

Un 74HC00 CMOS peut théoriquement piloter des centaines d’entrées (très haute impédance d’entrée).

2. Temps de Propagation

Le temps de propagation (t_pd) est le délai entre un changement d’entrée et la réponse de la sortie.

Famille	Temps de propagation	Fréquence max
74LS	~10 ns	~25 MHz
74HC	~8 ns	~30 MHz
74AC	~4 ns	~100 MHz
CMOS 4000	~60 ns	~5 MHz

3. Niveaux Logiques

Les niveaux de tension définissant les états logiques varient selon la famille :

Pour TTL 5V :

Niveau BAS (0) : 0V à 0.8V
Niveau HAUT (1) : 2V à 5V
Zone interdite : 0.8V à 2V

Pour CMOS 5V :

Niveau BAS (0) : 0V à 1.5V
Niveau HAUT (1) : 3.5V à 5V
Zone interdite : 1.5V à 3.5V

Lire une Datasheet (Fiche Technique)

La datasheet est le document indispensable pour utiliser correctement un circuit intégré. Voici les sections importantes :

Sections essentielles d’une datasheet

1. Description générale

Type de circuit (quad NAND, etc.)
Famille logique (TTL, CMOS, etc.)
Boîtier disponible (DIP, SOIC, etc.)

2. Brochage (Pin Configuration)

Numéro et fonction de chaque broche
Repère de la broche 1 (encoche ou point)
Broches d’alimentation (Vcc et GND)

3. Caractéristiques électriques maximales

Tension d’alimentation (min/typ/max)
Courant de sortie maximal
Puissance dissipée maximale
Température de fonctionnement

4. Caractéristiques de fonctionnement

Niveaux logiques (VIL, VIH, VOL, VOH)
Temps de propagation
Consommation électrique

5. Table de vérité

Comportement logique du circuit

🔍 Où trouver les datasheets ?

Site du fabricant (Texas Instruments, NXP, etc.)
Distributeurs (Mouser, Digi-Key, Farnell)
AllDataSheet.com
DatasheetCatalog.com

Projet Pratique : Circuit Simple

Réaliser un OU Exclusif avec des NAND

Objectif : construire une fonction XOR uniquement avec des portes NAND (démonstration de la porte universelle).

Matériel nécessaire

1× Circuit intégré 7400 (quad NAND) ou 74HC00
1× Plaque d’essai (breadboard)
2× Interrupteurs ou boutons poussoirs
1× LED + résistance 330Ω
Alimentation 5V
Fils de connexion
Condensateur 100nF (découplage)

Équation XOR avec NAND

A ⊕ B = (A · (A · B)) · (B · (A · B))

Il faut 4 portes NAND pour réaliser un XOR.

Étapes :

NAND1 : calculer A · B
NAND2 : calculer A · (sortie NAND1)
NAND3 : calculer B · (sortie NAND1)
NAND4 : calculer (sortie NAND2) · (sortie NAND3)

Vérification :

Testez toutes les combinaisons d’entrées :

A=0, B=0 → LED éteinte (0)
A=0, B=1 → LED allumée (1)
A=1, B=0 → LED allumée (1)
A=1, B=1 → LED éteinte (0)

C’est bien le comportement d’un XOR ! ✓

Applications en Radio Amateur

1. Séquenceur d’émission

Problème

Lors du passage en émission, il faut activer les composants dans le bon ordre : d’abord l’accordeur d’antenne, puis l’amplificateur, enfin l’émetteur.

Solution avec portes logiques

Utilisation de portes AND pour créer des délais logiques et assurer la séquence correcte. Chaque étage ne s’active que si l’étage précédent est prêt (signal OK) ET que le PTT est activé.

2. Détecteur de tonalité CTCSS

Application

Un décodeur CTCSS utilise des portes XOR pour comparer la fréquence reçue avec une référence locale. Quand les signaux sont en phase, le XOR produit un niveau continu permettant l’ouverture du squelch.

3. Commutateur d’antenne logique

Fonctionnement

Des portes logiques contrôlent des relais pour commuter entre plusieurs antennes selon la bande sélectionnée. Un encodeur binaire (3 bits) permet de sélectionner jusqu’à 8 antennes différentes.

4. Interface CAT (Computer Aided Transceiver)

Utilité

Les portes logiques sont utilisées dans les interfaces RS-232 pour adapter les niveaux de tension entre l’ordinateur (±12V) et le transceiver (0-5V). Le circuit MAX232 contient des inverseurs et des amplificateurs de niveau.

Points à Retenir

Les portes logiques réalisent physiquement les opérations booléennes
Il existe deux normes de symboles (américaine et européenne)
NAND et NOR sont des portes universelles
Les familles logiques (TTL, CMOS, HC, LS) ont des caractéristiques différentes
Le 74HC est un excellent choix pour les projets amateurs
Toujours consulter la datasheet avant utilisation
Ne jamais oublier les condensateurs de découplage
Respecter le fan-out et les niveaux logiques

73 de F4HXN – Prochaine fiche : Les systèmes de numération ! 📡