À propos 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 circuit purement électroniques ont pris le relais de 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 de l’ampleur des progrès réalisés par les circuits numériques 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 traite chaque chiffre, le système est facilement modulable. 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 modifier le matériel. De plus, vous pouvez introduire toute amélioration de votre système numérique en dehors de l’usine en mettant simplement à jour le logiciel.
Une autre propriété des circuits numériques est qu’ils permettent un stockage plus accessible des informations. En effet, les systèmes numériques sont immunisés contre les interférences et peuvent stocker et récupérer des données sans dégradation des performances.
Bon nombre des systèmes numériques les plus récents traduisent généralement des systèmes analogiques continus en signaux numériques. Cela peut provoquer des erreurs de quantification. Pour réduire ces erreurs au minimum, il faut s’assurer que le système numérique peut stocker suffisamment de données numériques pour représenter le signal avec un degré de fidélité souhaitable.
3. Construction de circuits numériques
Les ingénieurs utilisent différentes méthodes pour construire des portes logiques. Nous allons en examiner quelques-unes ci-dessous.
3.1 Construction à l’aide de portes logiques
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 combinatoire. Chaque porte logique agit sur des signaux logiques pour exécuter une fonction de la logique booléenne. En général, les concepteurs utilisent des commutateurs contrôlés électroniquement pour créer des portes logiques. Habituellement, ces commutateurs sont des transistors. Les valves thermoélectriques peuvent aussi faire le même travail. La sortie d’une porte logique peut alimenter d’autres portes logiques ou les contrôler.
3.2 Construction à l’aide de tables de consultation
Le deuxième type de circuits numériques se caractérise par la construction à partir de tables de consultation. En général, les tables de consultation remplissent des fonctions similaires à celles des circuits numériques basés sur des portes logiques. Un avantage important des circuits numériques basés sur des tables de consultation est que les concepteurs peuvent facilement les reprogrammer sans apporter de modifications au câblage. En d’autres termes, il est facile de réparer les erreurs de conception sans avoir à modifier la disposition des fils. Lorsqu’il s’agit de produits de faible volume, les concepteurs préfèrent donc les dispositifs logiques programmables aux autres types de circuits numériques. Pour concevoir ces dispositifs logiques programmables, les ingénieurs utilisent généralement des logiciels d’automatisation de la conception.
3.3 Circuits intégrés
Pour construire des circuits intégrés, les ingénieurs utilisent plusieurs transistors sur une puce de silicium. C’est le moyen le plus abordable de créer un grand volume de portes logiques interconnectées. En général, les concepteurs interconnectent les circuits intégrés sur une carte de circuit imprimé (PCB), qui est une carte qui contient divers composants électriques et les relie par des traces de cuivre.
4. Conception de circuits numériques
Lors de la conception de circuits numériques, les ingénieurs utilisent divers moyens pour réduire la redondance logique, ce qui permet de maintenir la complexité du circuit à un niveau minimal. Mais pourquoi est-il essentiel de maintenir la complexité des circuits au plus bas ? Eh bien, une complexité minimale réduit le nombre de composants et évite les erreurs potentielles, ce qui permet de maintenir des coûts faibles. Parmi les techniques les plus courantes de réduction de la redondance logique figurent l’algèbre booléenne, les diagrammes de décision binaires, l’algorithme de Quine-McCluskey, les cartes de Karnaugh et la méthode informatique heuristique. Les ingénieurs logiciels utilisent généralement des méthodes informatiques heuristiques pour effectuer ces opérations.
4.1 Représentation
La représentation est un élément essentiel de la conception des circuits numériques. La représentation classique des circuits numériques par les ingénieurs consiste à utiliser un ensemble équivalent de portes logiques où les concepteurs utilisent une forme différente pour représenter chaque symbole logique. Les ingénieurs peuvent également construire un système équivalent de commutateurs électroniques pour représenter les circuits numériques. Les représentations ont généralement des formats de fichiers numériques pour une analyse automatisée.
4.1.1 Combinaison et séquentiel
Lorsqu’ils choisissent des images, les concepteurs envisagent généralement différents types de systèmes numériques. Les deux groupes courants de systèmes numériques sont les systèmes combinatoires et les systèmes séquentiels. 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 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 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 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 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 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 Utilisation des memristors
En 2009, par exemple, des chercheurs ont découvert que les memristors pouvaient 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 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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