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La base de l’électronique numérique est fondée sur l’algèbre de Boole. Les fonctions logiques directement issues de l’algèbre de Boole sont les outils de base de l'électronique numérique. Elles sont mises en oeuvre en électronique sous forme de portes logiques. Lorsqu'on parle de circuits logiques, les deux grandes familles actuelles sont les TTL (Transistor-Transistor Logic) et les CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). La famille TTL (la série 74xx) est la première mise sur le marché et elle est composée de transistors bipolaires. L’évolution technologique aidant, et pour disposer de circuits plus puissants, la famille CMOS (la série 4000) a vu le jour.

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Que ce soit des portes logiques TTL ou CMOS, ces portes logiques reçoivent en entrée des « 0 » ou des « 1 » que l'on appelle aussi niveau « haut » et niveau « bas ». En donnant des noms génériques comme ceux-là, on peut attribuer à ces niveaux logiques différentes tensions. Par exemple, sur des circuits TTL, le niveau haut correspond à 5V (en fait, 2V et plus) alors que sur un microcontrôleur 32-bit, il est plus probable que le niveau haut soit fixé à 3.3V. En sortie, on trouve aussi ces mêmes niveaux « haut » et « bas ». La tension que l’on trouve sur ces sorties dépend du type de sortie. La plupart du temps la tension d'un niveau haut correspond à la tension d'alimentation du circuit. Autrement, il existe des circuits à sortie « Collecteur ouvert » (en anglais "open collector») ou à « Drain ouvert » («open drain"). Ces circuits à collecteur ouvert indiquent que la sortie peut disposer d’une tension différente de celle du reste du circuit. Pour cela, il faut mettre une résistance de pull-up sur la tension désirée pour obtenir le niveau « haut » et on disposera bien évidemment du niveau « bas ». On peut prendre l’exemple d’un relais alimenté en 24 V placé sur un circuit logique TTL dont la sortie est à collecteur-ouvert.

      

Lorsque l'on utilise des circuits à collecteur ouvert, il faut faire attention de ne pas utiliser un composant qui fait consommer trop de courant au transistor. En effet, dans la fiche technique du composant, il faut vérifier que la charge ne dépasse pas le niveau de courant défini pour le niveau bas. Par exemple, dans le montage de la photo ci-dessus, le courant est de 2,4 mA (24V divisé par 10K Ohm) ce qui est largement inférieur au courant maximal supporté par le circuit (ici 40 mA).

La porte logique « suiveur » (buffer) est le cas le plus simple. Le signal appliqué à l'entrée est du même niveau que celui de la sortie. Comme il n’y a aucune modification du niveau du signal d'entrée, ce type de porte logique est plutôt utilisé en présence d’un signal faible que l’on veut récupérer avec plus de puissance. Grâce à son impédance d'entrée très importante et à sa faible impédance de sortie, nous utilisons l'adaptation d'impédance, caractéristique du « suiveur », pour augmenter la puissance du signal. Son symbole schématique est représenté par un triangle.

Pour comprendre les tableaux suivants, rappelons que « Haut » se traduit par « HIGH » en anglais et « Bas » par « LOW »

   

L'inverseur est aussi très simple. Contrairement au suiveur (buffer), l'inverseur, comme son nom l’indique, inverse le signal d'entrée. Sa représentation schématique est la même que le suiveur excepté qu’on trouve une petite boule à la sortie du triangle pour indiquer l’inversion du signal. En anglais, l'inverseur se dit "NOT".

   

La porte ET ("AND Gate" en anglais) est utilisée lorsque nous désirons obtenir une sortie au niveau haut lorsque toutes les entrées sont au niveau haut. On trouve aussi le contraire de la porte ET qu'on appelle la porte NON-ET ("NAND Gate" en anglais). Pour désigner cette inversion, tout comme l'inverseur, une petite boule est placée à la sortie de la porte logique.

   

   

Évidemment, les portes logiques peuvent disposer de plusieurs entrées. Dans ces cas-là, la porte occupe la même fonction, mais en utilisant plusieurs entrées en même temps. Par exemple, ci-dessous, cette porte NON-ET à 4 entrées attend que les quatre entrées soient au niveau haut pour basculer la sortie au niveau bas. Remarquez que le symbole schématique et la table de vérité ne sont pas en correspondance. En fait, le tableau ci-dessous correspond à une porte ET tandis que le symbole représente un NON-ET. Il faut simplement inverser la sortie de cette table de vérité (dernière colonne) pour obtenir les combinaisons de la porte NON-ET à quatre entrées.

   

La porte OU ("OR Gate" en anglais) permet de mettre la sortie au niveau haut lorsqu’au moins une des entrées est au niveau haut. Comme la porte ET, la porte OU dispose d’une porte contraire qui s'appelle la porte NON-OU ("NOR Gate" en anglais). Lorsqu'il y a au moins une des entrées mise au niveau haut, la sortie bascule au niveau bas.

   

   

Finalement, il existe une extension de la porte OU que l'on appelle la porte OU-Exclusif ("XOR Gate" en anglais). La particularité de cette porte c'est que lorsque les deux entrées sont à un même niveau (haut ou bas) la sortie est mise au niveau bas. L’intérêt de cette porte tient dans le fait que la sortie sera au niveau haut lorsque l’une ou l’autre de ses entrées exclusivement sera mise au niveau haut, d’où le nom de la porte. Comme pour les autres portes, il existe son contraire que l'on appelle NON-OU-Exclusif ("XNOR Gate" en anglais). Dans ce cas, la sortie sera mise au niveau haut exclusivement lorsque les deux entrées seront soit au niveau haut soit au niveau bas.

   

   

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Le concept des portes logiques existera toujours puisque ces portes sont à la base même de l’architecture des ordinateurs. Par contre, de plus en plus, les circuits contenant uniquement des portes logiques comme la famille TTL et CMOS sont amenés à disparaître. Ils sont remplacés par des circuits beaucoup plus avancés qu'on appelle des circuits logiques programmables complexes (CPLD : Complex Programmable Logic Device) ou des FPGA (Field-Programmable Gate Array). Ce sont des circuits dont on peut programmer la logique interne avec des langages comme le Verilog ou le VHDL. Ainsi, on peut reproduire des dizaines et des dizaines de circuits logiques de la série 74xx dans un seul circuit FPGA. De plus, à l’image des microcontrôleurs, ils sont reprogrammables ce qui les rend très versatiles et de plus en plus utilisés.