Construire des circuits numériques-Les circuits numériques ou l’électronique numérique sont des appareils électroniques qui utilisent des signaux numériques. Ils diffèrent des circuits analogiques en ce sens que les circuits analogiques fonctionnent sur des signaux analogiques dont le fonctionnement est beaucoup plus sujet à l’atténuation du signal, à la tolérance de fabrication et au bruit ; en général, les concepteurs utilisent de grands assemblages de portes logiques sur des circuits intégrés pour réaliser des circuits numériques.
Dans ce guide convivial, nous vous faisons tout savoir sur les circuits numériques. Lisez la suite pour en savoir plus.
Une brève histoire des circuits numériques
En 1705, Gottfried Wilhelm Leibniz a perfectionné le système numérique binaire. Leibniz a établi qu’en utilisant le système binaire, il était possible de joindre les principes de l’arithmétique et de la logique. Au milieu du 19e siècle, George Boole a conçu la philosophie numérique telle que nous la connaissons aujourd’hui. Plus tard, en 1886, Charles Sanders Peirce a expliqué comment les scientifiques pouvaient effectuer des opérations logiques en commutant des circuits électriques. Ensuite, au lieu de relais pour les opérations logiques, les concepteurs ont commencé à utiliser des tubes à vide.
Avec le développement des ordinateurs numériques après la Seconde Guerre mondiale, le calcul numérique a remplacé l’analogique. Bientôt, les éléments de circuits purement électroniques ont remplacé leurs homologues mécaniques et électromécaniques.
En 1959, Mohamed Atalla et Dawon Kahng ont inventé le transistor MOSFET, qui a révolutionné de façon spectaculaire l’industrie électronique. À partir de la fin du XXe siècle, le transistor MOSFET a joué un rôle essentiel dans la construction des circuits numériques. Actuellement, c’est le dispositif semi-conducteur le plus populaire au monde.
Au départ, chaque puce de circuit intégré ne comptait que quelques transistors. Avec les progrès technologiques, il est devenu possible de placer des millions de transistors MOSFET sur une seule puce. Aujourd’hui, les concepteurs peuvent placer des milliards de transistors MOSFET sur une seule puce. C’est la preuve que les circuits numériques ont beaucoup progressé depuis leurs débuts.
2. Propriétés des circuits numériques
L’une des principales raisons pour lesquelles les circuits numériques sont très accessibles, comme nous l’avons mentionné précédemment, est qu’il est facile de les représenter numériquement sans que le bruit ne les dégrade. Par exemple, tant que le son capté lors de la transmission n’est pas suffisant pour empêcher l’identification du parcours, les signaux audio successifs peuvent être reconstruits dans l’ordre de 1 s et 0 s sans aucune erreur.
Pour obtenir une représentation plus précise dans un système numérique, on peut représenter le signal en utilisant davantage de chiffres binaires. Bien sûr, cela nécessite davantage de circuits numériques, mais comme le même type de matériel gère chaque chiffre, le système est facilement évolutif. Les choses sont différentes avec un système analogique qui nécessite des améliorations fondamentales des caractéristiques de bruit et de la linéarité pour produire une nouvelle résolution.
Lorsque vous utilisez des systèmes numériques contrôlés par ordinateur, il est possible d’ajouter beaucoup plus de fonctions grâce à la révision du logiciel. En d’autres termes, vous n’avez pas besoin de changer de matériel. En outre, vous pouvez apporter des améliorations à votre système numérique en dehors de l’usine en mettant à jour votre logiciel.
Une autre caractéristique des circuits numériques est qu’ils permettent de stocker plus facilement des informations. En effet, les systèmes numériques ne sont pas perturbés et peuvent stocker et récupérer des données sans compromettre les performances.
De nombreux systèmes numériques récents convertissent généralement les systèmes analogiques en signaux numériques. Cela peut entraîner des erreurs de quantification. Pour minimiser ces erreurs, assurez-vous que le système numérique peut stocker suffisamment de données numériques pour représenter le signal avec une fidélité optimale.
3. Construction de circuits numériques
Les ingénieurs utilisent différentes méthodes pour construire des portes logiques. Nous allons examiner certains d’entre eux ci-dessous.
3.1 utilisation de la structure de la porte logique
Les fabricants de circuits numériques utilisent généralement de petits circuits électroniques appelés portes logiques pour créer des cours numériques. Avec ces portes logiques, il est possible de créer une logique combinée. Chaque porte logique agit sur le signal logique pour exécuter les fonctions de la logique booléenne. En général, les concepteurs utilisent des commutateurs de commande électroniques pour créer des portes logiques. En général, ces interrupteurs sont des transistors. Les valves thermo-ioniques peuvent également aider à faire le même travail. La sortie d’une porte logique peut alimenter d’autres portes logiques ou les contrôler.
3.2 création à l’aide d’une table de recherche
Le second type de circuit numérique est construit à partir de la table de recherche en tant que fonction. En général, les tables de recherche exécutent des fonctions similaires à celles des circuits numériques basés sur des portes logiques. L’un des principaux avantages d’un canal numérique basé sur une table de recherche est que les concepteurs peuvent facilement le reprogrammer sans modifier le câblage. En d’autres termes, il est facile de corriger les erreurs de conception sans modifier la disposition des fils. C’est pourquoi les concepteurs préfèrent les dispositifs logiques programmables à d’autres types de circuits numériques Lorsqu’ils travaillent sur des produits de petite taille. Lors de la conception de ces composants logiques programmables, les ingénieurs utilisent généralement un logiciel d’automatisation de la conception.
3.3 Construire des circuits numériques-circuit intégré
Lors de la construction d’un circuit intégré, l’ingénieur utilise plusieurs transistors sur une plaquette de silicium. C’est le moyen le plus économique de créer un grand nombre de portes logiques interconnectées. En règle générale, les concepteurs interconnectent des circuits intégrés sur des cartes de circuits imprimés ( PCB ), qui contiennent une grande variété de composants électroniques et les connectent par tracé de cuivre.
4. Construire des circuits numériques-Conception de circuit numérique
Lors de la conception d’un circuit numérique, les ingénieurs utilisent différentes méthodes pour réduire les redondances logiques et réduire ainsi la complexité du circuit. Cependant, pourquoi est-il essentiel de maintenir la faible complexité du circuit? Une complexité minimale réduit le nombre de composants, évite les erreurs potentielles et réduit les coûts. Parmi les techniques les plus courantes pour réduire les redondances logiques, on peut citer l’algèbre booléen, le diagramme de décision binaire, l’algorithme quinn-mcclusky, le diagramme Kano et la méthode informatique heuristique. Les ingénieurs logiciels effectuent généralement ces opérations à l’aide de la méthode heuristique de l’ordinateur.
4.1 représentation
Lorsqu’il s’agit de la conception d’un circuit numérique, la représentation est une partie importante. Les ingénieurs traditionnels indiquent que les circuits numériques utilisent un jeu de portes logiques équivalentes dans lequel les concepteurs utilisent des formes différentes pour représenter chaque symbole logique. Les ingénieurs peuvent également construire un système de commutation électronique équivalent pour représenter les circuits numériques. Indique qu’il existe généralement un format de fichier numérique pour l’analyse automatique.
Combinaison et séquence
Lors de la sélection d’une image, les concepteurs prennent généralement en compte différents types de systèmes numériques. Les deux groupes courants de systèmes numériques sont les systèmes combinatoires et les systèmes séquentiels. Les systèmes combinatoires présentent les mêmes sorties pour les mêmes entrées. Les systèmes séquentiels, en revanche, sont des systèmes combinatoires qui renvoient certaines des sorties comme entrées.
Il existe deux autres sous-catégories de systèmes séquentiels : les systèmes séquentiels synchrones qui changent d’état en une seule fois et les systèmes séquentiels asynchrones qui changent chaque fois que les entrées changent.
4.1.2 Construire des circuits numériques-Conception des ordinateurs
Un ordinateur est le plus ordinaire des équipements logiques polyvalents à transfert de registre. La machine est un boulier binaire automatique. Un micro-séquenceur fait fonctionner l’unité de commande du réseau, qui est elle-même un micro-programme. La grande majorité des ordinateurs sont synchrones, bien qu’il y ait eu aussi des ordinateurs asynchrones sur le marché.
4.2 Problèmes de conception dans les circuits numériques
Comme les ingénieurs utilisent des composants analogiques dans les circuits électroniques numériques, la nature analogique de ces composants peut interférer avec le comportement numérique souhaité. La conception des circuits numériques doit donc gérer des sujets tels que les marges de synchronisation, le bruit, la capacité et les inductances parasites.
4.3 Outils de conception de circuits numériques
Au fil des ans, les ingénieurs ont conçu des machines logiques de taille considérable qui visent à minimiser les efforts d’ingénierie coûteux. Actuellement, il existe des programmes informatiques connus sous le nom d’outils d’automatisation de la conception électronique (EDA) qui existent dans ce but. Par exemple, il existe un logiciel de manufacturabilité qui fournit une excellente assistance aux concepteurs de circuits numériques.
4.4 Construire des circuits numériques-Test d’un circuit logique
La principale raison pour laquelle les ingénieurs testent un circuit logique est de vérifier si la conception répond aux spécifications temporelles et fonctionnelles. Il est crucial d’examiner chaque copie du circuit numérique pour s’assurer que le processus de fabrication n’a pas introduit de défauts.
5. Considérations sur la conception des circuits numériques
La progression de la conception des circuits numériques a été lente mais régulière. Nous retraçons ce parcours en examinant les différentes familles logiques ci-dessous.
5.1 Les relais
La première conception de circuits numériques comportait une logique de relais. Cette conception était fiable et peu coûteuse. Cependant, elle était lente et présentait des défaillances mécaniques occasionnelles. Il y avait généralement dix fanouts qui provoquaient des arcs électriques sur les contacts.
5.2 Construire des circuits numériques-Aspirateurs
La logique à vide a immédiatement suivi la logique à relais. Le principal avantage des aspirateurs est leur rapidité. Cependant, les aspirateurs généraient beaucoup de chaleur et les filaments brûlaient fréquemment. Le développement des tubes d’ordinateur dans les années 1950 a constitué une amélioration significative des vides, car ces tubes d’ordinateur pouvaient fonctionner pendant des centaines de milliers d’heures.
5.3 Logique à résistances et transistors
Il s’agit de la première famille de logique à semi-conducteurs. La logique à résistance et transistor était des milliers de fois plus fiable que les tubes. Elle consommait beaucoup moins d’énergie et fonctionnait plus froidement. Cependant, son fan-out était très faible : 3 au total. Plus tard, la logique à transistors à diodes a fait passer le fan-out à 7 et a encore réduit la puissance.
5.4 Construire des circuits numériques-Logique transistor à transistor
Une amélioration spectaculaire par rapport aux logiques précédentes, la logique transistor-transistor avait un fan-out de 10. Plus tard, ce fan-out est passé à 20. Cette logique était également remarquablement rapide. Cette logique est encore utilisée aujourd’hui dans des conceptions de circuits numériques spécifiques.
5.5 Logique à émetteurs couplés
Le modèle à émetteurs couplés est incroyablement rapide. Cependant, cette logique consomme beaucoup d’énergie. Les ordinateurs haute performance dotés de composants de taille moyenne utilisent largement cette logique.
5.6 Construire des circuits numériques-Logique CMOS
La logique CMOS est de loin la logique la plus populaire pour les circuits intégrés aujourd’hui. Cette logique est rapide, offre une densité de circuit élevée et une faible consommation par porte logique. Même les grands ordinateurs rapides utilisent cette logique.
Les derniers développements dans le domaine des circuits numériques
Les chercheurs dans le domaine des circuits numériques ont récemment fait des progrès importants. En voici quelques exemples :
6.1 Construire des circuits numériques-Utilisation des memristors
En 2009, par exemple, les chercheurs ont découvert que les memristors peuvent aider à mettre en œuvre le stockage d’états booléens. Cela permet d’obtenir une famille logique complète qui se caractérise par une faible consommation d’énergie et d’espace grâce à l’utilisation de procédés CMOS simples.
6.2 Construire des circuits numériques-La découverte de la RSFQ
Les chercheurs ont également découvert la supraconductivité. Cette découverte permet aux ingénieurs de développer une technologie de circuit rapide à flux unique (RSFQ) qui utilise des jonctions Josephson plutôt que des transistors. Plus récemment, les ingénieurs ont tenté de construire des systèmes informatiques purement optiques capables de traiter des informations numériques à l’aide d’éléments visuels non linéaires.
Résumé
Les circuits numériques sont au centre de l’électronique numérique et du traitement informatique d’aujourd’hui. Grâce à leur faible susceptibilité au bruit et à la dégradation de la qualité, ces circuits sont de loin préférables aux circuits analogiques. Et comme les ingénieurs et les chercheurs se consacrent à l’avancement du domaine des circuits numériques, la conception et les performances de ces dispositifs ne pourront que s’améliorer.
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