Les Portes Logiques et Circuits
Découvrez les composants électroniques qui réalisent les opérations booléennes
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.
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
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 |
- 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.
- 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 (tpd) 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 :
- Niveau BAS (0) : 0V à 0.8V
- Niveau HAUT (1) : 2V à 5V
- Zone interdite : 0.8V à 2V
- 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
- 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)
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 ! 📡