MESURES SUR LES BASCULES A TRANSISTORS

# MESURES SUR LES BASCULES A TRANSISTORS ## 19- Mesures sur les circuits à bascules (utilisant les transistors bipolaires) : partie 1 ### Introduction Dans ce cours, nous allons explorer les techniques de mesure et d'analyse des circuits à bascules, un composant fondamental en électronique numérique. Nous nous concentrerons particulièrement sur les bascules réalisées à partir de transistors bipolaires, en détaillant comment effectuer des mesures précises de tension, de courant et de temps pour comprendre leur fonctionnement et diagnostiquer d'éventuels problèmes. ### Concepts Clés #### Comprendre les Bascules à Transistors Bipolaires ##### Qu'est-ce qu'une bascule ? Une bascule est un circuit électronique numérique capable de mémoriser un bit d'information (0 ou 1). Elle possède deux états stables et peut être commutée d'un état à l'autre par des signaux d'entrée. C'est l'unité de base des mémoires et des compteurs. ##### Le Transistor Bipolaire en régime de Commutation Dans une bascule, le transistor bipolaire fonctionne principalement comme un interrupteur, alternant entre l'état bloqué (équivalent à un circuit ouvert) et l'état saturé (équivalent à un court-circuit). * **État bloqué :** La tension de la base est faible, le courant de collecteur \( I_C \) est quasi nul. Le transistor agit comme un interrupteur ouvert. * **État saturé :** Un courant de base suffisant \( I_B \) est appliqué, permettant au transistor de conduire au maximum. La tension collecteur-émetteur \( V_{CE} \) est très faible (proche de 0V). Le transistor agit comme un interrupteur fermé. ##### Principe de la Bascule Bistable RS (exemple simple) Une bascule RS (Set-Reset) peut être construite à partir de deux transistors bipolaires interconnectés. Elle possède deux entrées, Set (S) et Reset (R), et deux sorties complémentaires, Q et \( \overline{Q} \). * **État Set (S=1, R=0) :** La sortie Q passe à 1, \( \overline{Q} \) passe à 0. * **État Reset (S=0, R=1) :** La sortie Q passe à 0, \( \overline{Q} \) passe à 1. * **État Mémorisé (S=0, R=0) :** La bascule conserve son état précédent. * **État Interdit (S=1, R=1) :** Cet état doit être évité car les sorties ne sont pas complémentaires et l'état futur est indéterminé. #### Méthodes et Instruments de Mesure ##### L'Oscilloscope Numérique C'est l'outil indispensable pour analyser les signaux dynamiques des bascules. * **Mesure de tensions :** Permet de visualiser les niveaux logiques (haut et bas) ainsi que les tensions transitoires lors des commutations. * **Mesure de temps :** * **Temps de montée (Rise time, \( T_r \)) :** Temps pour qu'un signal passe de 10% à 90% de son amplitude finale. * **Temps de descente (Fall time, \( T_f \)) :** Temps pour qu'un signal passe de 90% à 10% de son amplitude finale. * **Largeur d'impulsion (Pulse width) :** Durée de l'état haut (ou bas) d'une impulsion. * **Période (T) et Fréquence (f) :** Pour les bascules astables ou horloges. \( f = \frac{1}{T} \). * **Délai de propagation (Propagation delay) :** Temps entre l'application d'un signal d'entrée et le changement de l'état de sortie. ##### Le Multimètre Numérique Utilisé pour des mesures statiques (DC) sur le circuit lorsque la bascule est dans un état stable (non commutant). * **Mesure de tension DC :** Vérification des tensions d'alimentation, des tensions de polarisation des transistors (\( V_{BE} \), \( V_{CE} \) en saturation ou blocage). * **Mesure de courant DC :** Vérification des courants de base (\( I_B \)) et de collecteur (\( I_C \)). * **Mesure de résistance :** Utile pour vérifier les valeurs des résistances du circuit hors tension. ##### Sondes de Test * **Sonde passive 10x :** Réduit la charge sur le circuit mesuré et augmente la bande passante de l'oscilloscope. Toujours s'assurer de compenser la sonde. * **Sondes logiques :** Pour des circuits plus complexes, elles permettent de visualiser simultanément plusieurs signaux logiques. #### Mesures Spécifiques sur une Bascule ##### Mesure des Niveaux Logiques Avec l'oscilloscope, vérifier que les niveaux logiques "haut" (\( V_{OH} \)) et "bas" (\( V_{OL} \)) sont conformes aux spécifications et qu'il n'y a pas de bruit excessif ou d'oscillations parasites. * \( V_{OH} \) (Voltage Output High) : Tension de sortie à l'état haut. * \( V_{OL} \) (Voltage Output Low) : Tension de sortie à l'état bas. ##### Mesure des Tensions aux Bornes des Transistors * **Transistor bloqué :** * \( V_{BE} < 0.7V \) (environ) * \( V_{CE} \) proche de la tension d'alimentation. * **Transistor saturé :** * \( V_{BE} \approx 0.7V \) (pour un transistor silicium) * \( V_{CE} \approx 0.2V \) (tension de saturation collecteur-émetteur) ##### Mesure des Temps de Commutation Analyser les fronts montants et descendants des signaux de sortie Q et \( \overline{Q} \) avec l'oscilloscope pour déterminer les temps de montée, de descente et les délais de propagation. Ces paramètres sont cruciaux pour les performances en vitesse de la bascule. ### Vocabulaire * **Bascule (Flip-flop) :** Circuit électronique mémorisant un bit. * **Transistor Bipolaire (Bipolar Transistor) :** Composant semi-conducteur agissant comme amplificateur ou interrupteur. * **Régime de Commutation (Switching Mode) :** Fonctionnement d'un transistor comme interrupteur (bloqué/saturé). * **Set (S) :** Entrée pour forcer la sortie Q à l'état haut (1). * **Reset (R) :** Entrée pour forcer la sortie Q à l'état bas (0). * **Oscilloscope :** Instrument de mesure permettant de visualiser des signaux électriques en fonction du temps. * **Multimètre :** Instrument mesurant plusieurs grandeurs électriques (tension, courant, résistance). * **Temps de Montée (Rise Time) :** Temps pour un signal de passer de 10% à 90% de son amplitude. * **Temps de Descente (Fall Time) :** Temps pour un signal de passer de 90% à 10% de son amplitude. * **Délai de Propagation (Propagation Delay) :** Temps entre un événement d'entrée et la réaction de sortie. * **Saturation :** État d'un transistor où il conduit au maximum. * **Blocage (Cut-off) :** État d'un transistor où il ne conduit pas. ### Exemples #### Exemple 1 : Mesure des tensions DC sur une bascule RS au repos Considérons une bascule RS à transistors bipolaires alimentée en \( V_{CC} = 5V \). 1. **Mise en état :** Appliquez S=0 et R=0 (état mémorisé), en supposant que Q est à l'état haut (5V) et \( \overline{Q} \) à l'état bas (0.2V). 2. **Mesures avec le multimètre :** * **Sur le transistor dont la sortie est Q (état haut) :** Mesurer \( V_{CE} \) de ce transistor. Il devrait être proche de 5V (transistor bloqué). Mesurer \( V_{BE} \), il devrait être faible (inférieur à 0.7V). * **Sur le transistor dont la sortie est \( \overline{Q} \) (état bas) :** Mesurer \( V_{CE} \) de ce transistor. Il devrait être proche de 0.2V (transistor saturé). Mesurer \( V_{BE} \), il devrait être autour de 0.7V. Cette vérification permet de s'assurer que les transistors fonctionnent correctement dans leurs régimes de blocage et de saturation. #### Exemple 2 : Analyse des signaux de commutation avec l'oscilloscope Pour une bascule RS commutant entre ses états : 1. **Connecter l'oscilloscope :** Placez une sonde sur l'entrée S, une autre sur l'entrée R, et une troisième sur la sortie Q. 2. **Déclencher (Trigger) :** Configurez le déclenchement sur le front montant de l'entrée S. 3. **Observer :** * **Temps de montée/descente :** Lorsque S ou R commute, observez la réponse de Q. Mesurez les \( T_r \) et \( T_f \) du signal Q. * **Délai de propagation :** Mesurez le temps entre le front montant de S et le front montant de Q. Ceci représente le délai de propagation de la bascule. * **Niveaux logiques :** Vérifiez que le signal Q passe bien de \( V_{OL} \) à \( V_{OH} \) et inversement. ### Exercices 1. Quels sont les deux principaux instruments de mesure que vous utiliseriez pour caractériser une bascule à transistors et pourquoi ? 2. Décrivez l'état d'un transistor bipolaire (bloqué ou saturé) si vous mesurez \( V_{CE} \approx 0.2V \) et \( V_{BE} \approx 0.7V \). Justifiez votre réponse. 3. Pour une bascule RS, expliquez pourquoi l'état S=1 et R=1 est à éviter. 4. Vous observez un signal de sortie Q qui met 20ns pour passer de 1V à 4V, sachant que \( V_{OL} = 0.5V \) et \( V_{OH} = 4.5V \). Calculez le temps de montée (\( T_r \)). 5. Si une bascule met 15ns pour changer d'état après l'application d'un signal d'entrée, quelle grandeur de temps avez-vous mesurée ? ### Devoir à la maison 1. Recherchez et schématisez le circuit d'une bascule RS à portes NOR (ou NAND) implémentée avec des transistors bipolaires. Identifiez les résistances et les transistors clés. 2. En vous basant sur le schéma de la question 1, proposez un plan de mesures détaillées (avec l'oscilloscope et le multimètre) pour vérifier le bon fonctionnement de la bascule, incluant : * Les tensions d'alimentation. * Les niveaux logiques de sortie Q et \( \overline{Q} \) pour les états S=0, R=0 ; S=1, R=0 ; S=0, R=1. * Les tensions \( V_{BE} \) et \( V_{CE} \) de chaque transistor dans les états mémorisés. * Une méthode pour estimer le délai de propagation de la bascule. 3. Expliquez l'impact d'un temps de montée ou de descente trop lent sur la fiabilité d'un circuit numérique. ### Résumé Ce cours a introduit les concepts fondamentaux des mesures sur les bascules à transistors bipolaires. Nous avons appris que les transistors fonctionnent en régime de commutation (bloqué/saturé) et que l'oscilloscope est essentiel pour analyser les signaux dynamiques (temps de montée, descente, délais de propagation) tandis que le multimètre est utile pour les mesures statiques (tensions DC). Comprendre et mesurer ces paramètres est crucial pour la conception, le diagnostic et la validation des circuits numériques. ## 20- Mesures sur les circuits à bascules (utilisant les transistors bipolaires) : partie 2 ### Introduction Bienvenue à cette deuxième partie de notre leçon sur les mesures appliquées aux circuits à bascules, spécifiquement ceux utilisant des transistors bipolaires. Dans la première partie, nous avons abordé les fondamentaux des bascules et leurs états stables. Cette session se concentrera sur les aspects dynamiques des bascules, c'est-à-dire comment elles se comportent lors des transitions, et les techniques de mesure précises pour analyser ces comportements. Comprendre ces mesures est crucial pour le dépannage, l'optimisation et la conception de circuits numériques fiables. ### Concepts Clés #### Rappel des Bascules à Transistors Bipolaires Les bascules à transistors bipolaires sont des circuits logiques séquentiels fondamentaux. Elles peuvent être: * **Bistables:** Deux états stables, nécessitent un signal de commande pour changer d'état (ex: bascule RS). * **Monostables:** Un état stable, produit une impulsion de durée fixe en réponse à un déclenchement. * **Astables:** Aucun état stable, oscille continuellement entre deux états, générant un signal périodique. #### Mesures Dynamiques sur les Bascules Lorsqu'une bascule change d'état, cette transition n'est pas instantanée. Il est essentiel de mesurer les délais et les formes d'onde associées. ##### Temps de Propagation (Propagation Delay) Le temps de propagation (\( t_p \)) est le délai entre le moment où le signal d'entrée change (déclenchement) et le moment où la sortie de la bascule réagit et change d'état. Il existe généralement deux types: * \( t_{PLH} \): Délai de propagation du front montant (passage de l'état bas à l'état haut). * \( t_{PHL} \): Délai de propagation du front descendant (passage de l'état haut à l'état bas). Ces temps sont souvent mesurés entre les points à 50% de l'amplitude du signal d'entrée et de sortie. Un oscilloscope est l'outil principal pour cette mesure. ##### Temps de Montée et de Descente (Rise and Fall Times) * **Temps de montée (\( t_r \) ou \( t_{rise} \)):** Le temps nécessaire pour qu'un signal passe de 10% à 90% de son amplitude maximale lors d'une transition montante. * **Temps de descente (\( t_f \) ou \( t_{fall} \)):** Le temps nécessaire pour qu'un signal passe de 90% à 10% de son amplitude maximale lors d'une transition descendante. Ces paramètres sont cruciaux pour déterminer la vitesse et la qualité des signaux logiques, influençant la fiabilité du circuit à haute fréquence. ##### Fréquence et Période (pour Multivibrateurs Astables) Pour un multivibrateur astable, la sortie est une onde carrée ou rectangulaire. Les mesures clés sont: * **Période (\( T \)):** Le temps d'un cycle complet du signal. \[ T = t_{ON} + t_{OFF} \] * **Fréquence (\( f \)):** Le nombre de cycles par seconde, l'inverse de la période. \[ f = rac{1}{T} \] * **Rapport cyclique (Duty Cycle, \( D \)):** Le pourcentage de temps pendant lequel le signal est à l'état haut. \[ D = rac{t_{ON}}{T} \times 100\% \] ##### Largeur d'Impulsion (pour Multivibrateurs Monostables) Pour un multivibrateur monostable, la mesure essentielle est la durée de l'impulsion de sortie générée. Cette largeur d'impulsion (\( W \) ou \( t_W \)) dépend des composants RC du circuit de synchronisation. #### Utilisation de l'Oscilloscope Numérique L'oscilloscope numérique est l'outil indispensable pour effectuer ces mesures dynamiques. ##### Modes de Déclenchement (Triggering Modes) * **Déclenchement sur front (Edge Trigger):** Le plus courant, le déclenchement se produit sur un front montant ou descendant du signal. * **Déclenchement sur impulsion (Pulse Trigger):** Utile pour capturer des impulsions de largeur spécifique. * **Déclenchement sur vidéo (Video Trigger):** Pour les signaux vidéo. Un bon déclenchement est essentiel pour obtenir une forme d'onde stable à l'écran. ##### Mesures Automatiques La plupart des oscilloscopes numériques offrent des fonctions de mesure automatique pour la période, la fréquence, le temps de montée/descente, la largeur d'impulsion, etc., ce qui simplifie grandement l'analyse. ##### Sondes et Atténuation * Utilisez toujours des **sondes compensées** pour éviter la distorsion du signal. Les sondes \( 10\times \) sont courantes et réduisent la charge sur le circuit, mais réduisent aussi l'amplitude du signal mesuré d'un facteur 10. * Assurez-vous que l'**atténuation de la sonde** est correctement configurée sur l'oscilloscope (généralement \( imes 1 \) ou \( imes 10 \)). #### Vérification du Fonctionnement et Dépannage * **Identification des états logiques:** Mesurez les tensions des états haut (V_OH) et bas (V_OL) pour vérifier qu'ils sont conformes aux spécifications. * **Analyse des signaux:** Recherchez des anomalies comme le bruit, les dépassements (overshoot), les sous-dépassements (undershoot), la gigue (jitter) ou des signaux mal formés. * **Dépannage courant:** * Vérifiez l'alimentation électrique et la mise à la masse. * Inspectez les connexions et les soudures. * Testez les composants individuels (transistors, résistances, condensateurs). * Comparez les formes d'onde mesurées avec les formes d'onde attendues (simulations ou spécifications). ### Vocabulaire * **Bascule:** Un circuit électronique qui peut mémoriser un bit d'information (état 0 ou 1). * **Transistor bipolaire (BJT):** Un type de transistor utilisé comme amplificateur ou commutateur dans les circuits. * **Multivibrateur astable:** Un circuit oscillateur qui ne possède pas d'état stable, générant un signal continu. * **Multivibrateur monostable:** Un circuit qui, une fois déclenché, passe à un état instable pour une durée déterminée avant de revenir à son état stable. * **Multivibrateur bistable:** Un circuit avec deux états stables (une bascule). * **Temps de propagation (\( t_p \)):** Le délai entre un événement d'entrée et le changement d'état de la sortie. * **Temps de montée (\( t_r \)):** Le temps qu'un signal met pour passer de 10% à 90% de son amplitude maximale. * **Temps de descente (\( t_f \)):** Le temps qu'un signal met pour passer de 90% à 10% de son amplitude maximale. * **Fréquence (\( f \)):** Nombre de cycles par seconde, mesuré en Hertz (Hz). * **Période (\( T \)):** Durée d'un cycle complet, mesurée en secondes. * **Largeur d'impulsion (\( t_W \)):** La durée d'une impulsion à l'état haut ou bas. * **Déclenchement (Triggering):** L'événement qui initie l'affichage d'une forme d'onde stable sur un oscilloscope. * **Sonde d'oscilloscope:** Un accessoire pour connecter un circuit à un oscilloscope, souvent avec une atténuation intégrée. ### Exemples #### Exemple 1: Mesure de la Fréquence et du Rapport Cyclique d'un Astable Considérons un multivibrateur astable qui produit un signal carré. Nous connectons une sonde d'oscilloscope à la sortie. Sur l'écran de l'oscilloscope, nous observons un cycle complet qui s'étend sur 20 divisions horizontales, et chaque division représente \( 100 \mu s \). Le signal est à l'état haut pendant 8 divisions. * **Période (\( T \)):** \( 20 \text{ div} \times 100 \mu s/\text{div} = 2000 \mu s = 2 \text{ ms} \). * **Fréquence (\( f \)):** \( f = 1/T = 1/(2 \text{ ms}) = 1/(2 \times 10^{-3} \text{ s}) = 500 \text{ Hz} \). * **Temps ON (\( t_{ON} \)):** \( 8 \text{ div} \times 100 \mu s/\text{div} = 800 \mu s \). * **Rapport cyclique (\( D \)):** \( D = (t_{ON}/T) \times 100\% = (800 \mu s / 2000 \mu s) \times 100\% = 40\% \). #### Exemple 2: Mesure du Temps de Propagation sur une Bascule D Pour une bascule D, nous appliquons un signal d'horloge (CLK) et observons la sortie (Q). Si le front montant de CLK se produit à \( t = 0 \) et que la sortie Q passe de 0 à 1 à \( t = 15 \text{ ns} \) (mesuré au seuil de 50%), alors le temps de propagation \( t_{PLH} \) est de \( 15 \text{ ns} \). ### Exercices 1. Un multivibrateur astable à base de transistors génère un signal carré. Sur l'oscilloscope, vous mesurez une période de \( 50 \mu s \) et un temps à l'état haut de \( 20 \mu s \). Calculez la fréquence et le rapport cyclique de ce signal. 2. Expliquez pourquoi il est important d'utiliser une sonde d'oscilloscope compensée et pourquoi l'atténuation de la sonde doit correspondre au réglage de l'oscilloscope. 3. Vous observez un signal de sortie d'une bascule et constatez que le temps de montée est anormalement long. Quelles pourraient être les causes possibles de ce problème et comment pourriez-vous tenter de le résoudre ? 4. Sur l'écran d'un oscilloscope numérique, comment distingueriez-vous un temps de propagation \( t_{PLH} \) d'un temps de montée \( t_r \) ? ### Devoir 1. **Recherche:** Comparez les spécifications de temps de propagation (\( t_p \)), temps de montée (\( t_r \)) et temps de descente (\( t_f \)) pour deux bascules différentes (par exemple, une bascule TTL 74LS74 et une bascule CMOS 74HC74). Expliquez les raisons des différences observées. 2. **Conception et simulation (ou expérimentation):** Concevez un multivibrateur monostable simple à l'aide de transistors bipolaires. Calculez la valeur des composants pour obtenir une impulsion de sortie d'une durée d'environ \( 1 \text{ ms} \). Si possible, simulez le circuit et mesurez la largeur d'impulsion avec un outil de simulation, ou construisez-le et mesurez-le avec un oscilloscope. Notez les différences entre la valeur calculée et la valeur mesurée et proposez des explications. 3. **Analyse de Dépannage:** Décrivez la démarche que vous suivriez pour dépanner une bascule astable qui ne génère plus de signal, mais dont l'alimentation est correcte. Listez les étapes et les outils de mesure que vous utiliseriez. ### Résumé Dans cette leçon, nous avons approfondi les techniques de mesure dynamique sur les circuits à bascules à transistors bipolaires. Nous avons appris l'importance des paramètres tels que le temps de propagation, les temps de montée et de descente, ainsi que la fréquence, la période et la largeur d'impulsion. L'oscilloscope numérique est l'outil central pour ces analyses, et la maîtrise de ses fonctions de déclenchement et de mesure automatique est essentielle. Une bonne compréhension de ces concepts et compétences pratiques est fondamentale pour tout ingénieur ou technicien travaillant avec des circuits logiques séquentiels. ## 21- Mesures sur les circuits à bascules (utilisant les transistors bipolaires) : partie 3 ### Introduction Dans les leçons précédentes, nous avons exploré les principes fondamentaux des bascules à transistors bipolaires et leurs applications. Cette troisième partie est consacrée aux techniques de mesure avancées et au dépannage de ces circuits logiques séquentiels. Il est crucial de pouvoir caractériser précisément le comportement dynamique et statique des bascules pour garantir la fiabilité et la performance des systèmes électroniques complexes. Nous nous concentrerons sur des mesures clés comme les temps de propagation, les temps de transition, et la fréquence maximale, ainsi que sur les méthodes pour diagnostiquer les pannes. ### Concepts Clés #### Rappel sur les Bascules à Transistors Bipolaires Les bascules (ou flip-flops) sont les éléments de mémoire fondamentaux de l'électronique numérique. Elles peuvent stocker un bit d'information (un 0 ou un 1). Les versions à transistors bipolaires sont courantes dans de nombreux circuits intégrés anciens et sont encore utilisées dans des applications spécifiques ou pour l'apprentissage des principes de base. Elles exploitent la capacité des transistors à saturer ou bloquer pour représenter les états logiques. #### Mesures Dynamiques des Bascules Les performances dynamiques sont cruciales pour les circuits logiques. L'oscilloscope est l'outil principal pour ces mesures. ##### Temps de Propagation (Propagation Delay) Le temps de propagation est le délai entre l'application d'un signal d'entrée et le changement d'état correspondant à la sortie. Il est défini par: * \( t_{PLH} \): Délai de propagation du niveau Bas vers le niveau Haut. C'est le temps entre le passage du signal d'entrée par 50% de sa valeur finale et le passage du signal de sortie par 50% de sa valeur finale lors d'une transition de "Low" à "High". * \( t_{PHL} \): Délai de propagation du niveau Haut vers le niveau Bas. C'est le temps entre le passage du signal d'entrée par 50% de sa valeur finale et le passage du signal de sortie par 50% de sa valeur finale lors d'une transition de "High" à "Low". La mesure s'effectue en appliquant un signal d'horloge ou de commande avec un générateur de fonctions et en observant simultanément l'entrée et la sortie de la bascule avec un oscilloscope multi-canaux. La différence de temps entre les points de 50% de l'entrée et de la sortie donne le temps de propagation. ##### Temps de Montée et de Descente (Rise Time & Fall Time) Ces temps caractérisent la vitesse de transition des signaux logiques eux-mêmes, indépendamment des délais de propagation du circuit. * \( t_r \) (Temps de montée): Temps nécessaire pour qu'un signal passe de 10% à 90% de son amplitude finale lors d'une transition "Low" vers "High". * \( t_f \) (Temps de descente): Temps nécessaire pour qu'un signal passe de 90% à 10% de son amplitude finale lors d'une transition "High" vers "Low". Ces mesures sont importantes pour s'assurer que les signaux sont suffisamment rapides pour être correctement interprétés par d'autres circuits et pour éviter les problèmes d'intégrité du signal (ringing, overshoot). ##### Fréquence Maximale de Fonctionnement (Maximum Operating Frequency) La fréquence maximale est la fréquence la plus élevée à laquelle la bascule peut fonctionner de manière fiable, c'est-à-dire sans perdre de données ou produire des sorties erronées. Elle est souvent limitée par les temps de propagation internes et les capacités parasites des transistors. Une fréquence excessive peut entraîner des états instables ou des données incorrectes. On mesure cette fréquence en augmentant la fréquence du signal d'horloge jusqu'à ce que la bascule ne réponde plus correctement ou que sa sortie devienne anormale (par exemple, des glitches ou une perte de synchronisation). ##### Glitches et Conditions de Course (Race Hazards) * **Glitch:** Une impulsion indésirable et brève sur une sortie logique, souvent causée par des retards de propagation différents le long de chemins parallèles dans le circuit. Ces glitches peuvent provoquer des erreurs si un autre circuit les interprète comme une transition valide. * **Conditions de Course (Race Hazards):** Se produisent lorsque la sortie d'un circuit dépend de l'ordre dans lequel plusieurs entrées changent d'état, alors que cet ordre n'est pas garanti. Dans les bascules, cela peut se produire si les délais de propagation des signaux de commande sont inégaux, menant à des états imprévisibles. L'oscilloscope est essentiel pour détecter les glitches et analyser les conditions de course, en observant les signaux d'entrée et de sortie avec une haute résolution temporelle. #### Techniques de Dépannage (Troubleshooting) Lorsqu'une bascule ne fonctionne pas comme prévu, une approche systématique est nécessaire. 1. **Vérification de l'alimentation:** Mesurez les tensions d'alimentation (\( V_{CC} \), \( V_{EE} \) ou GND) avec un multimètre pour s'assurer qu'elles sont correctes et stables. 2. **Vérification des niveaux logiques statiques:** À l'aide d'un multimètre ou d'une sonde logique, vérifiez les niveaux de tension des entrées et sorties lorsque le circuit est dans un état statique. Assurez-vous que les niveaux "High" et "Low" sont conformes aux spécifications (par exemple, \( V_{OH} \), \( V_{OL} \)). 3. **Utilisation de l'oscilloscope pour l'analyse dynamique:** * **Triggering (déclenchement):** Réglez correctement le déclenchement pour stabiliser les formes d'onde et observer les signaux périodiques (horloge) ou événements uniques (impulsions). * **Canaux multiples:** Utilisez plusieurs canaux pour comparer simultanément les entrées et les sorties, ou différentes parties du circuit. * **Curseurs:** Utilisez les curseurs de temps et de tension pour mesurer précisément les délais, les temps de montée/descente et les amplitudes. 4. **Identification des composants défectueux:** * **Transistors:** Un transistor peut être en court-circuit, en circuit ouvert ou avoir un gain (\( eta \)) réduit. Des tests hors circuit peuvent être nécessaires. * **Résistances et condensateurs:** Vérifiez leurs valeurs avec un multimètre. * **Soudures froides ou coupures de piste:** Inspectez visuellement la carte de circuit imprimé. ### Vocabulaire * **Bascule (Flip-flop):** Circuit électronique capable de mémoriser un bit d'information. * **Temps de propagation (Propagation delay):** Délai entre le changement d'état d'une entrée et le changement d'état correspondant d'une sortie. * **Temps de montée (Rise time, \( t_r \)):** Temps nécessaire pour qu'un signal passe de 10% à 90% de son amplitude finale. * **Temps de descente (Fall time, \( t_f \)):** Temps nécessaire pour qu'un signal passe de 90% à 10% de son amplitude finale. * **Fréquence maximale de fonctionnement:** La plus haute fréquence d'horloge à laquelle un circuit logique peut fonctionner de manière fiable. * **Glitch:** Impulsion indésirable et de très courte durée sur une sortie logique. * **Condition de course (Race hazard):** Situation où la sortie d'un circuit dépend de l'ordre imprévisible de plusieurs changements d'entrée. * **Déclenchement (Triggering):** Fonction de l'oscilloscope qui permet de stabiliser l'affichage d'un signal périodique ou de capturer un événement unique. ### Exemples #### Exemple 1: Mesure du \( t_{PHL} \) d'une Bascule RS Considérons une bascule RS à transistors. Pour mesurer \( t_{PHL} \): 1. Connectez la sortie Q de la bascule à un canal de l'oscilloscope (Ch1). 2. Connectez l'entrée Set ou Reset (celle qui provoque une transition de Q de Haut à Bas) à un autre canal (Ch2). 3. Configurez un générateur de fonctions pour envoyer une impulsion sur l'entrée choisie, qui force Q à passer de Haut à Bas. 4. Réglez le déclenchement de l'oscilloscope sur l'entrée (Ch2) à 50% de son amplitude, sur le flanc descendant. 5. Utilisez les curseurs de temps de l'oscilloscope pour mesurer le délai entre le point à 50% de la transition de l'entrée (Ch2) et le point à 50% de la transition correspondante de la sortie (Ch1). #### Exemple 2: Détection d'un Glitch Pour détecter un glitch sur la sortie d'une bascule: 1. Connectez la sortie de la bascule à un canal de l'oscilloscope. 2. Utilisez une base de temps très rapide (par exemple, 10 ns/div) et une sensibilité verticale adaptée (par exemple, 1 V/div). 3. Déclenchez l'oscilloscope sur la sortie (flanc montant ou descendant, ou en mode "Auto" si le glitch est récurrent). 4. Observez attentivement la forme d'onde. Un glitch apparaîtra comme une courte impulsion qui dévie de l'état logique stable, puis y revient rapidement. Il peut être nécessaire de balayer différentes plages de temps et de tensions pour le visualiser. ### Exercices 1. Décrivez la procédure étape par étape pour mesurer le temps de montée (\( t_r \)) d'une sortie de bascule utilisant un oscilloscope et un générateur de fonctions. 2. Expliquez pourquoi la fréquence maximale de fonctionnement est une spécification critique pour les bascules. 3. Quelles sont les causes possibles d'un "glitch" sur la sortie d'une bascule à transistors, et comment peut-on le détecter avec un oscilloscope? 4. Un ingénieur mesure le temps de propagation \( t_{PLH} \) d'une bascule à 20 ns et le \( t_{PHL} \) à 15 ns. Quelle est la valeur du délai de propagation moyen de cette bascule? \[ t_{PD_{moyen}} = \frac{t_{PLH} + t_{PHL}}{2} \] ### Devoir 1. Recherchez et décrivez au moins deux méthodes de conception ou composants supplémentaires qui peuvent être utilisés pour réduire les problèmes de "glitch" ou de "race hazards" dans les circuits à bascules. 2. Dessinez le schéma d'une bascule D simple à base de transistors bipolaires et identifiez les points où vous mettriez des sondes d'oscilloscope pour mesurer ses temps de propagation \( t_{PLH} \) et \( t_{PHL} \). 3. Expliquez l'impact des capacités parasites des transistors sur les performances dynamiques (temps de propagation, temps de montée/descente) d'une bascule. Donnez une formule générale qui lie la constante de temps \( au \) (tau) à la résistance \( R \) et la capacité \( C \) du circuit. \[ \tau = RC \] ### Résumé Cette leçon a approfondi les aspects pratiques des mesures sur les circuits à bascules à transistors bipolaires. Nous avons vu l'importance des mesures dynamiques telles que les temps de propagation (\( t_{PLH} \), \( t_{PHL} \)), les temps de montée (\( t_r \)) et de descente (\( t_f \)), et la détermination de la fréquence maximale de fonctionnement. La détection et la compréhension des "glitches" et des "conditions de course" sont essentielles pour assurer la fiabilité des circuits. Enfin, nous avons abordé les techniques de dépannage systématiques, en mettant l'accent sur l'utilisation de l'oscilloscope pour diagnostiquer les problèmes. Une bonne maîtrise de ces techniques est indispensable pour tout technicien ou ingénieur en électronique. ## 22- Mesures sur les circuits à bascules (utilisant les transistors bipolaires) : partie 4 ### Introduction Dans cette quatrième partie de notre étude sur les mesures électroniques, nous allons nous concentrer spécifiquement sur les mesures dynamiques et les caractéristiques de performance des circuits à bascules, notamment ceux construits à partir de transistors bipolaires. Après avoir exploré les aspects statiques et de fonctionnement de base, il est crucial de comprendre comment ces circuits se comportent en régime transitoire et à quelles fréquences ils peuvent opérer de manière fiable. Nous aborderons les concepts clés tels que les temps de propagation, les temps de commutation et l'importance de l'oscilloscope pour ces analyses. ### Concepts Clés #### Rappel sur les Bascules à Transistors Bipolaires Une bascule (ou *flip-flop*) est un circuit séquentiel capable de stocker un bit d'information. Elle est fondamentale dans les mémoires, les compteurs et d'autres systèmes logiques. Les bascules construites avec des transistors bipolaires utilisent la capacité de ces derniers à commuter rapidement entre les états saturé (ON) et bloqué (OFF) pour créer deux états stables. Les types courants incluent les bascules RS, D, JK, et T. #### Mesures Dynamiques Les mesures dynamiques sont essentielles pour caractériser la vitesse et la fiabilité des bascules. ##### Temps de Propagation Les temps de propagation mesurent le délai entre un changement à l'entrée et le changement correspondant à la sortie. * **Temps de propagation bas vers haut (\(t_{PLH}\))** : Délai entre le moment où l'entrée active passe d'un niveau bas à un niveau haut et le moment où la sortie correspondante passe d'un niveau bas à un niveau haut (généralement mesuré à 50% de l'amplitude du signal). * **Temps de propagation haut vers bas (\(t_{PHL}\))** : Délai entre le moment où l'entrée active passe d'un niveau haut à un niveau bas et le moment où la sortie correspondante passe d'un niveau haut à un niveau bas (mesuré à 50% de l'amplitude du signal). Ces temps sont cruciaux pour déterminer la fréquence maximale de fonctionnement d'un circuit. La formule générale pour le temps de propagation moyen est : \[ t_p = \frac{t_{PLH} + t_{PHL}}{2} \] ##### Temps de Commutation des Transistors Lorsqu'un transistor bipolaire passe d'un état à l'autre, ce n'est pas instantané. Plusieurs temps sont à considérer : * **Temps de montée (\(t_r\))** : Temps nécessaire au signal pour passer de 10% à 90% de son amplitude maximale (lors d'une transition bas-haut). * **Temps de descente (\(t_f\))** : Temps nécessaire au signal pour passer de 90% à 10% de son amplitude maximale (lors d'une transition haut-bas). * **Temps de retard à l'allumage (\(t_d\))** : Temps entre l'application du signal d'entrée et le début du changement de l'état de sortie. * **Temps de stockage (\(t_s\))** : Temps pendant lequel le transistor reste saturé après que le signal d'entrée ait commencé à se désactiver (dû aux porteurs de charge stockés dans la base). Ces temps influencent directement \(t_{PLH}\) et \(t_{PHL}\) de la bascule. ##### Fréquence Maximale de Fonctionnement (\(f_{max}\)) La fréquence maximale à laquelle une bascule peut fonctionner de manière fiable est inversement proportionnelle à ses temps de propagation. En général, \(f_{max}\) est limitée par le temps de propagation le plus long ou par la somme des délais critiques dans un chemin séquentiel. \[ f_{max} \approx \frac{1}{2 \times \text{délai le plus long}} \] #### Mesures de Stabilité et Fiabilité ##### Immunité au Bruit L'immunité au bruit représente la capacité d'une bascule à ne pas changer d'état involontairement en présence de signaux parasites (bruit). Elle est souvent caractérisée par les marges de bruit pour les niveaux logiques haut et bas. Les bascules avec hystérésis (comme les triggers de Schmitt) ont une meilleure immunité au bruit. ##### Consommation de Courant La consommation de courant peut être mesurée en régime statique (quand la bascule est dans un état stable) et en régime dynamique (lorsqu'elle commute). En régime dynamique, la consommation augmente avec la fréquence de commutation en raison des chargements/déchargements des capacités parasites et des courants de commutation des transistors. #### Utilisation de l'Oscilloscope pour les Mesures L'oscilloscope est l'outil indispensable pour effectuer ces mesures dynamiques. Voici quelques points clés : * **Sondes appropriées** : Utiliser des sondes de haute impédance (ex: 10x) pour minimiser l'impact sur le circuit. * **Déclenchement (Triggering)** : Utiliser le déclenchement approprié (flanc montant/descendant) pour stabiliser le signal et observer les événements spécifiques. * **Mode double trace** : Permet de visualiser simultanément le signal d'entrée et de sortie pour mesurer les délais. * **Curseurs** : Utiliser les curseurs de temps et de tension pour des mesures précises de \(t_r\), \(t_f\), \(t_{PLH}\), \(t_{PHL}\). ### Vocabulaire * **Bascule (Flip-flop)** : Circuit séquentiel fondamental capable de stocker un bit d'information. * **Transistor Bipolaire (BJT)** : Type de transistor utilisé pour amplifier ou commuter des signaux électroniques. * **Temps de Propagation (Propagation Delay)** : Délai entre un changement d'entrée et le changement correspondant de sortie (\(t_{PLH}\), \(t_{PHL}\)). * **Temps de Montée (Rise Time, \(t_r\))** : Temps pour un signal de passer de 10% à 90% de son amplitude. * **Temps de Descente (Fall Time, \(t_f\))** : Temps pour un signal de passer de 90% à 10% de son amplitude. * **Temps de Stockage (Storage Time, \(t_s\))** : Délai après désactivation de la base avant que le transistor ne commence à se bloquer. * **Fréquence Maximale (Maximum Frequency, \(f_{max}\))** : Fréquence la plus élevée à laquelle le circuit peut fonctionner correctement. * **Hystérésis** : Phénomène où la sortie d'un circuit dépend non seulement de l'entrée actuelle mais aussi de son histoire (souvent utilisé pour l'immunité au bruit). * **Immunité au Bruit (Noise Immunity)** : Capacité d'un circuit à ignorer les signaux indésirables (bruit). * **Oscilloscope** : Instrument de mesure électronique qui visualise des signaux électriques sous forme de courbes sur un écran. ### Exemples #### Exemple 1: Mesure du temps de propagation d'une bascule RS Considérons une bascule RS à transistors bipolaires. Pour mesurer \(t_{PLH}\) et \(t_{PHL}\) : 1. Appliquez un signal d'horloge (ou un signal de commande S ou R) à l'entrée avec un front net. 2. Connectez la sonde 1 de l'oscilloscope à l'entrée pertinente et la sonde 2 à la sortie (Q ou \(\bar{Q}\)). 3. Réglez l'oscilloscope en mode double trace et ajustez la base de temps pour voir clairement la transition d'entrée et de sortie. 4. Utilisez la fonction curseur de temps pour mesurer le délai entre le point à 50% de la transition d'entrée et le point à 50% de la transition de sortie. Si l'entrée passe de bas à haut et la sortie aussi, vous mesurez \(t_{PLH}\). Si l'entrée passe de haut à bas et la sortie aussi, vous mesurez \(t_{PHL}\). Supposons que nous mesurons \(t_{PLH} = 20 \text{ ns}\) et \(t_{PHL} = 25 \text{ ns}\). Le temps de propagation moyen serait : \[ t_p = \frac{20 \text{ ns} + 25 \text{ ns}}{2} = 22.5 \text{ ns} \] #### Exemple 2: Calcul de la fréquence maximale En utilisant les temps de propagation de l'exemple 1 (où le délai le plus long est \(t_{PHL} = 25 \text{ ns}\)), nous pouvons estimer la fréquence maximale de fonctionnement pour une bascule simple sans rétroaction critique : \[ f_{max} \approx \frac{1}{2 \times 25 \text{ ns}} = \frac{1}{50 \times 10^{-9} \text{ s}} = 20 \text{ MHz} \] Cela signifie que la bascule ne devrait pas être cadencée à une fréquence supérieure à environ 20 MHz pour garantir un fonctionnement stable. ### Exercices 1. Définissez ce qu'est le temps de propagation \(t_{PLH}\) et expliquez son importance dans un circuit numérique. 2. Vous mesurez la sortie d'une bascule avec un oscilloscope. Le signal d'entrée passe de 0V à 5V en 5ns. La sortie Q passe de 0V à 5V 30ns après le début de la transition d'entrée. Calculez le \(t_{PLH}\) si les seuils de mesure sont à 50%. 3. Expliquez pourquoi le temps de stockage (\(t_s\)) est un facteur limitant pour la vitesse de commutation d'un transistor bipolaire. 4. Si une bascule a un \(t_{PLH} = 15 \text{ ns}\) et un \(t_{PHL} = 18 \text{ ns}\), quelle est sa fréquence maximale de fonctionnement approximative ? 5. Citez deux avantages de l'utilisation d'un oscilloscope à mémoire numérique (DSO) par rapport à un oscilloscope analogique pour les mesures de temps de propagation. ### Devoir 1. **Recherche et Comparaison** : Recherchez les fiches techniques (datasheets) de deux bascules (une TTL et une CMOS, si possible) et comparez leurs temps de propagation typiques (\(t_{PLH}\), \(t_{PHL}\)). Discutez des différences et des raisons possibles (technologie des transistors, conception du circuit). 2. **Expérience Pratique (simulation ou réelle)** : Proposez un protocole expérimental détaillé pour mesurer les temps de montée (\(t_r\)) et de descente (\(t_f\)) d'un transistor bipolaire configuré en commutateur simple. Quels équipements de laboratoire seraient nécessaires ? Comment configureriez-vous l'oscilloscope ? 3. **Analyse d'Impact** : Expliquez comment les capacités parasites internes des transistors bipolaires affectent les temps de commutation et, par conséquent, la fréquence maximale d'une bascule. 4. **Consommation Dynamique** : Décrivez comment la consommation de courant d'une bascule à transistors bipolaires évolue avec l'augmentation de la fréquence de commutation et pourquoi cela se produit. ### Résumé Dans cette leçon, nous avons approfondi les mesures dynamiques essentielles pour caractériser les bascules à transistors bipolaires. Nous avons appris que les temps de propagation (\(t_{PLH}\) et \(t_{PHL}\)) et les temps de commutation des transistors (\(t_r\), \(t_f\), \(t_d\), \(t_s\)) sont des paramètres critiques qui déterminent la vitesse et la fréquence maximale de fonctionnement d'une bascule. L'oscilloscope est l'outil principal pour effectuer ces mesures précises. Comprendre ces concepts est fondamental pour la conception et le dépannage de circuits logiques rapides et fiables.