Électronique/Les familles MOS : PMOS, NMOS et CMOS

Les portes logiques vues dans le chapitre précédent sont fabriquées en utilisant des transistors. Il existe de nombreuses manières pour concevoir des circuits à base de transistors, auxquelles on a donné le nom de familles logiques.. les plus connues portent les noms de DTL, RTL, TLL, CMOS et bien d'autre. En voici la liste et une description sommaire :

• Les logiques MOS (Metal Oxyde Silicium) utilisent des transistors à effet de champ, parfois couplés à des résistances. On distingue :
  • La logique NMOS, qui utilise des transistors NMOS associés à des résistances.
  • La logique PMOS, qui utilise des transistors PMOS associés à des résistances.
  • La logique CMOS, qui utilise des transistors PMOS et NMOS, sans résistances associées.
• Les autres logiques utilisent des transistors bipolaires et/ou des diodes
  • La logique à diodes n'utilise que des diodes pour fabriquer des portes logiques ;
  • La logique RTL (Resistance-Transistor Logic) utilise des résistances couplées à des transistors bipolaires ;
  • La logique DTL (Diode-Transistor Logic) utilise des diodes couplées à des transistors bipolaires ;
  • La logique TTL (Transistor-Transistor Logic) utilise uniquement des transistors bipolaires.
  • Les logiques Emitter-coupled logic (ECL), Integrated injection logic, Gunning transceiver logic sont des techniques évoluées à base de transistors bipolaires.

Ce chapitre aborde les familles logiques qui utilisent des transistors à effet de champ. Il s'agit des technologies MOS, PMOS, NMOS et CMOS.

La technologie NMOS

Nous allons commencer avec la technologie NMOS, mais les circuits PMOS sont relativement similaires. Les deux technologies étaient utilisées avant l'invention de la technologie CMOS, quand on ne savait pas comment faire pour avoir à la fois des transistors PMOS et NMOS sur la même puce électronique, mais sont aujourd'hui révolues.

Le fonctionnement des logiques NMOS et PMOS

Avec la technologie NMOS, les portes logiques sont fabriqués avec des transistors NMOS intercalés avec une résistance.

Circuit en logique NMOS.

Leur fonctionnement est assez facile à expliquer. Quand la sortie doit être à 1, tous les transistors sont ouverts. Il n'y a pas de chemin qui relie la sortie à la masse. Par contre, la sortie est connectée à la tension d'alimentation, ce qui fait qu'elle est mise à 1. On place une résistance entre la tension d'alimentation et la sortie pour éviter que le courant qui la traverse soit trop fort dans cette situation. Quand la sortie doit être à 0, il y a au moins un transistor NMOS qui se ferme. Mais si un transistor NMOS se ferme et connecte l'alimentation à la masse, les choses changent. Les lois compliquées de l'électricité nous disent alors que la sortie est connectée à la masse, soit au zéro volts. Elle est donc mise à 0.

Fonctionnement d'un circuit en technologie NMOS.

Les circuits PMOS sont construits d'une manière assez similaire aux circuits CMOS, si ce n'est que les transistors NMOS sont remplacés par une résistance qui relie ici la masse à la sortie. Rien d'étonnant à cela, les deux types de transistors, PMOS et NMOS, ayant un fonctionnement inverse.

Les portes logiques de base en NMOS

Que ce soit en logique PMOS ou NMOS, les portes de base sont les portes NON, NAND et NOR. Les portes ET et OU sont fabriqués en combinant des portes de base, par exemple plaçant une porte NON à la suite d'une porte NAND/NOR pour obtenir un ET ou un OU. Voici les circuits obtenus en NMOS et PMOS:

NMOS
Portes de base
Portes composites

Voyons maintenant comment fonctionne les portes de base en NMOS.

La porte NON

Le circuit d'une porte NON en technologie NMOS est illustré ci-dessous. Le principe de ce circuit est assez simple : l'étude de seulement deux cas permet de le comprendre en détail. Si on envoie un 0 sur la grille du transistor, celui-ci s'ouvre et la sortie est reliée à la tension d'alimentation. À l'inverse, quand on met un 1 sur la grille, le transistor se ferme et la sortie est reliée à la masse, mise à 0. Le résultat est bien un circuit inverseur.

La porte NOR

La porte NOR est similaire à la porte NON, si ce n'est qu'il y a maintenant deux transistors en parallèles. Si une des grilles est mise à 1, un des transistors se fermera et la sortie est mise à 0. Par contre, quand les deux entrées sont à 0, les transistors s'ouvrent tous deux et la sortie est mise à 1. Le comportement obtenu est bien celui d'une NOR.

La porte NAND

La porte NAND fonctionne sur un principe similaire au précédent, si ce n'est qu'il faut que les deux grilles soient à zéro pour obtenir une sortie à 1. Pour mettre la sortie à 0 quand seulement les deux transistors sont ouverts, il suffit de les mettre en série, comme dans le schéma ci-dessous. Le circuit obtenu est bien une porte NAND.

NMOS-NAND-gate

Funktionsprinzip eines NAND-Gatters

Il existe des variantes de la porte précédente, où la résistance est remplacée par un générateur de courant, fabriqué avec des transistors NMOS.

Variantes de la porte NAND NMOS de base

La technologie PMOS

Les circuits en technologie PMOS ressemblent beaucoup aux circuits en technologie NMOS, si ce n'est qu'ils sont inversés. Rien d'étonnant à cela, les deux types de transistors, PMOS et NMOS, ayant un fonctionnement inverse.

La technologie PMOS avec des résistances entre la tension d'alimentation et la sortie

Avec les circuits PMOS, les transistors sont placés entre la tension d'alimentation et la sortie. De plus, les transistors NMOS sont remplacés par une résistance qui relie ici la masse à la sortie.

La technologie PMOS avec des résistances entre la masse et la sortie

Il est aussi possible de câbler les portes logiques autrement, en remplaçant les transistors NMOS d'un circuit NMOS par des PMOS. Mais dans ce cas, la tensions liée à la résistance doit être négative, égale à l'opposé de la tension d’alimentation.

La technologie CMOS

Dans cette section, nous allons montrer comment fabriquer des portes logiques en utilisant la technologie CMOS. Avec celle-ci, chaque porte logique est fabriquée à la fois avec des transistors NMOS et des transistors PMOS. On peut la voir comme un mélange entre la technologie PMOS et NMOS. Tout circuit CMOS est divisé en deux parties : une intégralement composée de transistors PMOS et une autre de transistors NMOS. Chacune relie la sortie du circuit soit à la masse, soit à la tension d'alimentation.

Principe de conception d'une porte logique/d'un circuit en technologie CMOS.

La première partie relie la tension d'alimentation à la sortie, mais uniquement quand la sortie doit être à 1. Si la sortie doit être à 1, des transistors PMOS vont se fermer et connecter tension et sortie. Dans le cas contraire, des transistors s'ouvrent et cela déconnecte la liaison entre sortie et tension d'alimentation. L'autre partie du circuit fonctionne de la même manière que la partie de PMOS, sauf qu'elle relie la sortie à la masse et qu'elle se ferme quand la sortie doit être mise à 0

Fonctionnement d'un circuit en logique CMOS.

La porte NON

Cette porte est fabriquée avec seulement deux transistors, comme indiqué ci-dessous.

Porte NON fabriquée avec des transistors CMOS.

Si on met un 1 en entrée de ce circuit, le transistor du haut va fonctionner comme un interrupteur ouvert, et celui du bas comme un interrupteur fermé : la sortie est reliée au zéro volt, et vaut donc 0. Inversement, si on met un 0 en entrée de ce petit montage électronique, le transistor du bas va fonctionner comme un interrupteur ouvert, et celui du haut comme un interrupteur fermé : la sortie est reliée à la tension d'alimentation, et vaut donc 1.

Porte NON fabriquée avec des transistors CMOS - fonctionnement.

La porte NAND

Voici en exclusivité comment créer une porte NAND à deux entrées avec des transistors CMOS !

Porte NAND fabriquée avec des transistors.

Porte NAND fabriquée avec des transistors.

La porte NOR

Implémenter une porte NOR à deux entrées avec des transistors CMOS ressemble à ce qu'on a fait pour la porte NAND.

Porte NOR fabriquée avec des transistors.

Porte NOR fabriquée avec des transistors.

Les portes XOR et NXOR

Il est possible de créer une porte XOR en combinant d'autres portes logiques. Mais d'autres implémentations optimisent le tout directement au niveau des transistors. Le circuit ci-dessous en est un exemple. Le fonctionnement du circuit est simple et il s'explique facilement si on découpe le circuit en quatre : les deux transistors en haut à gauche, les deux en haut à droite, les deux en bas à gauche et les deux en bas à droite. Si les deux entrées sont à 1, alors les deux transistors en bas à gauche vont se fermer et connecter la sortie au 0 volts, les trois autres groupes ayant au moins un transistor ouvert. Si les deux entrées sont à 0, alors les deux transistors en bas à droite vont se fermer et connecter la sortie au 0 volts, les autres quadrants ayant au moins un transistor ouvert. Et pareil quand les deux bits sont différents : un des deux quadrants aura ses deux transistors fermés, alors que les autres auront au moins un transistor ouvert, ce qui connecte la sortie à la tension d'alimentation.

Porte XOR en logique CMOS.

En ajoutant les deux portes NON nécessaires pour calculer l'inverse des deux entrées, on trouve :

Porte XOR en logique CMOS.

La logique pass transistor logic

La pass transistor logic est une forme particulière de technologie CMOS, une version non-conventionnelle. Avec le CMOS normal, la porte de base est la porte NON. En modifiant celle-ci, on arrive à fabriquer des portes NAND, NOR, puis les autres portes logiques. Les transistors sont conçus de manière à connecter la sortie, soit la tension d'alimentation, soit la masse. Avec la pass transistor logic, le montage de base est un circuit interrupteur, qui fonctionne autrement. Cette version du CMOS a été utilisée dans des processeurs commerciaux, comme dans l'ARM1. Dans la suite du cours, nous verrons quelques circuits qui utilisent cette technologie, mais ils seront rares. Nous l'utiliserons quand nous parlerons des additionneurs, ou les multiplexeurs, guère plus. Mais il est sympathique de savoir que cette technologie existe.

La porte à transmission

Le circuit de base est un interrupteur construit avec deux transistors. Pourquoi ne pas utiliser un seul transistor par interrupteur ? C'est parce que la logique CMOS fait que tout transistor PMOS doit être associé à un transistor NMOS et réciproquement. Donc, deux transistors. Le montage interrupteur de base est appelé une porte à transmission. C'est un petit circuit avec trois entrées : une entrée de commande, une entrée et une sortie. Le circuit peut soit connecter l'entrée et la sortie, soit déconnecter la sortie de l'entrée. Le choix entre les deux dépend de l’entrée de commande. Le montage de base est le suivant :

CMOS Transmission gate

Les deux entrée A et /A sont l'inverse l'une de l'autre, ce qui fait qu'il faut en théorie rajouter une porte NON CMOS normale, pour obtenir le circuit complet. Mais dans les faits, on arrive souvent à s'en passer. Ce qui fait que la porte à transmission est définie comme étant le circuit à deux transistors précédents.

Le schéma ci-dessous nous permet de comprendre quels sont les défauts de la pass transistor logic. Il n'y a ni tension d'alimentation, ni masse (O Volts). Par contre, la sortie d'une porte à transmission est alimentée par la tension d'entrée, ce qui fait qu'il n'y a pas d'amplification de la tension d'entrée. Et vu que les transistors ne sont pas parfaits, on a toujours une petite perte de tension en sortie d'une porte à transmission. Le résultat est que si on enchaine les portes à transmission, la tension de sortie a tendance à diminuer, et ce d'autant plus vite qu'on a enchainé de portes à transmission. le résultat est qu'il faut souvent rajouter des portes amplificatrices pour restaurer les tensions adéquates, à divers endroits du circuit. Ces portes amplificatrices sont composées d'une ou de deux portes NON en CMOS normal. La pass transistor logic mélange donc porte NON CMOS normales avec des portes à transmission. De plus, afin de faire des économies de circuit, on n'utilise souvent qu'une seule porte NON CMOS comme amplificateur, ce qui fait que de nombreux signaux sont inversés dans le circuit.

Par contre, ce défaut entraine aussi des avantages. Notamment, la consommation d'énergie est fortement diminuée. Seules les portes amplificatrices, les portes NON CMOS, sont alimentées en tension/courant. Le reste des circuits n'est pas alimenté, car il n'y a pas de connexion à la tension d'alimentation et la masse.

Les portes à transmission sont très utilisés dans certains circuits très communs, que nous aborderons dans quelques chapitres, comme les multiplexeurs ou les démultiplexeurs.

La porte XOR en pass transistor logic

Il est facile d'implémenter une porte XOR avec des portes à transmission. Cela demande deux portes à transmission, plus quelques portes NON, pas plus.

Porte XOR implémentée avec une porte à transmission.

La version précédente est une porte XOR où les signaux d'entrée sont doublés : on a le bit d'entrée original, et son inverse. C'est quelque chose de fréquent dans les circuits en pass transistor logic, où les signaux/bits sont doublés. Mais il est possible de créer des version normales, sans duplication des bits d'entrée. La solution la plus simple de rajouter deux portes NON, pour inverser les deux entrées. Le circuit passe donc de 4 à 8 transistors, ce qui reste peu. Mais on peut ruser, ce qui donne le circuit ci-dessous. Comme vous pouvez les voir, il mélange porte à transmission et portes NON CMOS normales.

XOR en pass transistor logic

Une autre version n'utilise que l'inverse de la première entrée.

XOR en pass transistor logic, seconde version

Dans les deux cas, l'économie en transistors est drastique comparé au CMOS normal. Plus haut, nous avons illustré plusieurs versions possible d'une porte XOR en CMOS normal : toutes allaient de 8 à 12 transistors. Ici, on va de 6 transistors maximum, à seulement 4 ou 5 pour les versions plus simples. Le gain est clairement significatif, suffisamment pour que les circuits avec beaucoup de portes XOR gagnent à être implémentés avec la pass transistor logic.

Les avantages et inconvénients respectifs du NMOS, PMOS et CMOS

De nos jours, la quasi-totalité des circuits électroniques est basé sur une technologie CMOS, les technologies NMOS et PMOS étant quasiment abandonnées. Les raisons à cela sont multiples, chaque technologie ayant des avantages et des inconvénients divers. L'avantage principal du CMOS sur les autres technologies tient surtout à sa faible consommation en énergie. Pour comprendre pourquoi le CMOS consomme moins, reprenons les schémas précédent pour une porte NON (les raisonnements que nous allons suivre valent pour toutes les portes logiques, mais sont plus simples avec une porte NON).

Avec les technologies NMOS et PMOS, la sortie est reliée à la tension VDD par une résistance. Quand la sortie est à 1, le courant passe dans la résistance, ce qui fait qu'une puissance égale à $Vdd^{2} \over R$ est dissipée par la résistance. Il s'agit d'une perte sèche d'énergie, une consommation d'énergie inutile. Vu que cette perte continue tant que la sortie est maintenue à 1, on lui donne le nom de consommation statique. Par contre, les circuits CMOS n'ont pas de résistances, mais uniquement des transistors, ce qui fait qu'il n'y a pas de dissipation statique de puissance.

Cela ne signifie pas qu'il n'y a pas de consommation d'énergie dans les transistors. Par exemple, ils dissipent un peu d'énergie quand on les fait passer de l'état bloqué à passant (ou inversement). Mais cette consommation d'énergie n'a pas lieu en permanence, tant que la sortie est maintenue. Il faut au contraire que la sortie change de valeur pour que de l'énergie soit dissipée, raison pour laquelle cette consommation d'énergie est appelée la consommation dynamique. Elle est présente dans les circuits CMOS, mais aussi dans les NMOS et les PMOS, qui sont à égalité de ce point de vue. Pour résumer, si tous les circuits ont une dissipation d'énergie d'origine dynamique, les CMOS n'ont pas de consommation statique, ce qui leur donne un avantage en terme de consommation d'électricité.