Signaux numériques : quand une tension représente 0 ou 1

Ce que vous devez savoir construire

Ce cours parcourt rapidement les bases universitaires de la conception logique numérique et les vérifie directement dans des circuits. L'algèbre du lycée suffit pour commencer ; une première expérience de programmation aide pour les travaux pratiques RTL. Nous relions d'abord portes → circuits combinatoires → éléments de mémoire → machines à états. Les approfondissements facultatifs étendent ces bases aux chemins de données et aux interfaces.

L'objectif dépasse la règle « une tension élevée vaut 1 ». Vous devez expliquer dans quelle plage et à partir de quel instant une valeur logique correcte est garantie.

Une valeur logique est une interprétation de la tension

Un circuit logique calcule avec $0$ et $1$, mais la tension d'un fil varie continûment. On définit une entrée inférieure ou égale à $V_{IL}$ comme 0, et supérieure ou égale à $V_{IH}$ comme 1. Entre ces seuils, aucune interprétation n'est garantie. La fiche technique du composant fixe la plage admissible et les seuils réels.

Prenons un circuit pédagogique de 3.3 V. Ces valeurs ne constituent pas la spécification d'un produit.

1.4 V n'est pas une « troisième valeur logique ». Cette entrée sort des conditions de garantie du modèle numérique. Une transition de 0 à 1 traverse cette zone : il faut donc préciser quand observer la sortie.

La marge entre les exigences d'entrée et de sortie

Supposons une sortie basse maximale $V_{OL}=0.2\,\mathrm V$ et une sortie haute minimale $V_{OH}=2.8\,\mathrm V$ à l'émetteur. Les marges de bruit^{iMarge de bruit Écart entre la tension de sortie garantie par l'émetteur et les seuils d'entrée du récepteur, calculé à partir des spécifications statiques de tension.} sont alors :

Même avec un bruit de +0.4 V sur la sortie basse, la tension reste à 0.6 V, dans la plage d'entrée basse. Ce calcul donne une marge statique sous les conditions de tension et de charge spécifiées. Il ne suffit pas à caractériser les impulsions brèves ou les réflexions sur les liaisons.

Examiner ensemble les conditions fonctionnelles et temporelles

Une porte AND dont les entrées valent 11 produit 1. Cela ne garantit pas sa sortie à l'instant même où les entrées changent. Additionnez les retards maximaux des portes de chaque chemin, puis retenez la somme la plus longue comme borne. Deux portes en série de retards maximaux 2 ns et 3 ns imposent d'attendre jusqu'à 5 ns après la stabilisation des entrées.

Laisser une entrée déconnectée ne revient pas à lui appliquer 0. Dans un simulateur, X représente une valeur inconnue et Z un état de commande à haute impédance ; aucun ne correspond à une tension physique unique. Les exercices à boutons de ce cours utilisent des valeurs stables de 0 et 1.

Pour aller plus loin : MIT OpenCourseWare — The Digital Abstraction

Manipulation · Franchir une limite de marge de bruit

1. Choisissez l'émission de 0. La sortie est fixée à sa tension basse au pire cas, 0.20 V. Avec un bruit de +0.60 V, le récepteur voit 0.80 V et garantit encore 0.
2. Augmentez le bruit de 10 mV avec la flèche droite. À 0.81 V, l'indication devient « aucune garantie ». Cela ne signifie pas que la valeur passe immédiatement à 1.
3. Pour l'émission de 1, retranchez du bruit à la sortie de 2.80 V. La réception de 1 reste garantie à −0.80 V, mais plus à −0.81 V.
4. Un bruit plus fort peut atteindre la plage valide opposée. Le récepteur y reconnaît une valeur logique valide, mais les données émises peuvent être altérées. Une tension valide et une donnée correcte sont deux conditions distinctes.

La manipulation ne ramène pas artificiellement les entrées hors de la plage 0–VDD dans une zone valide. La plage d'entrée admissible, le courant de limitation et les conditions des impulsions transitoires doivent être vérifiés dans la fiche technique. Ce modèle ne prédit ni la destruction d'un composant particulier ni sa réponse dynamique.