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Electronique > Théorie > Circuit intégré

Dernière mise à jour : 11/09/2011

 

Présentation

Un circuit intégré (souvent abrégé CI, à ne pas confondre avec CI de circuit imprimé) est un composant dit actif. Il s'agit d'un composant possédant un certain nombre de broches (deux à plusieurs centaines), et qui intègre en son sein un certain nombre de composants tels que transistors, résistances, diodes, etc. Certains circuits intégrés, comme le NE555, ne possède que quelques dizaines de composants, alors que d'autres, comme les micro-processeurs, peuvent en intégrer plusieurs millions (voir paragraphe Intégration).

Circuits intégrés linéaires (analogiques)

Il s'agit de circuits travaillant avec des tensions pouvant prendre différentes valeurs entre deux valeurs limites min et max : régulateurs de tension genre LM7812, amplificateurs opérationnels genre LM741 ou NE5532, amplificateurs BF de type LM386 ou TDA2030...

Circuits intégrés logiques (numériques) TTL et CMOS

Il s'agit de circuits qui travaillent en tout ou rien, généralement avec des tensions d'entrée et de sortie égales à (ou très proche de) leur tension d'alimentation. Exemple : circuits de la famille SN74xx ou CD40xx, familles dans lesquelles on trouve des circuits assurant des fonctions très diverses : simples portes logiques (NAND, OR, etc), diviseurs de fréquences, (dé)multiplexeurs, mémoires vives et mémoires mortes, micro-processeurs... Les circuits TTL sont les plus anciens, ils sont constitués de transistors "bipolaires", sont assez gourmands en énergie mais ils peuvent travailler vite (30 MHz ou plus). L'impédance de leurs entrées est faible (2 kO) et ces entrées si elles sont laissées en l'air (non raccordées) prennent la valeur 1 (état logique haut). Les circuits CMOS sont apparus après, ils sont construits sur la base de transistors à effet de champ (FET) et consomment moins, mais ils sont plus lents (5 MHz au mieux). L'impédance de leurs entrées est élevée (centaines de MO). L'entrée d'un circuit CMOS ne doit jamais être laissée en l'air car elle peut à tout instant prendre une valeur indeterminée et donc provoquer un disfonctionnement voir une surconsommation du circuit.

• Séries CD4000, HEF4000, MC14000 - Circuits intégrés de technologie CMOS. Faible consommation électrique, fonctionnement entre 3 V et 15 V, assez sensibles à l'électricité statique. La notion de faible consommation électrique est relative, elle est vraie en régime statique, c'est à dire quand les sorties ne changent pas d'état, et pour une tension d'alimentation faible (5 V). Quand on atteint une vitesse de fonctionnement de quelque 1 MHz à 2 MHz sous une tension d'alim de 15 V, la consommation n'est plus minime du tout et on peut largement faire la comparaison avec des circuits TTL pourtant réputés être plus gourmands en énergie... Le fonctionnement d'un circuit CMOS est garanti à partir de 3 V mais une tension d'au moins 4,5 V est toutefois recommandée car en-dessous de cette valeur on observe une nette perte de vitesse (temps de propagation plus longs) et une plus grande sensibilité au bruit. On peut retenir qu'une tension d'alim de 5 V est recommandée pour une utilisation à faible vitesse, alors qu'une alimentation de 10 V à 12 V est recommandée pour les "hautes" vitesses. Une tension d'alimentation de 15 V pour un fonctionnement à haute vitesse est déconseillée du fait d'une consommation et d'un échauffement accrus.
• Série CD74HCTxx - Circuits intégrés de technologie CMOS, plus rapides que les CMOS classiques de la série CD4000.
• Série 74xx - Circuits intégrés de technologie TTL (Transistor and Transistor Logic) standard.
• Série 74Lxx - Circuits intégrés de technologie TTL basse consommation (L = Low power).
• Série 74Sxx - Circuits intégrés de technologie TTL Schottky (S = Schottky).
• Série 74Fxx - Circuits intégrés de technologie TTL rapide (F = Fast).
• Série 74LSxx - Circuits intégrés de technologie TTL Schottky basse consommation (LS = Low power Schottky). Consommation électrique toujours plus élevée que celle des circuits de la série CMOS, mais aussi plus rapides que ces derniers. Fonctionnement sous 5V (en fait 5V +/-10%, soit 4,5V à 5,5V, valeur maximale absolue de 7V), ils sont peu sensibles à l'électricité statique. La série 74LS est un peu plus rapide que la série SN74xx et consomme un peu moins.
• Série 74ASxx - Circuits intégrés de technologie TTL Schottky avancé (AS = Advanced Schottky)
• Série 74ALSxx - Circuits intégrés de technologie TTL Schottky avancé, basse consommation (ALS = Advanced Low power Schottky)
• Série 74Cxx - Version CMOS de la série SN7400. Ainsi, un 74C192 est équivalent au CD40192.
• Séries 74HCxx et 74HCTxx - Ces circuits combinent la faible consommation des circuits CMOS et la rapidité des circuits TTL. Les circuits de la série 74HCT s'alimentent sous 5V comme les TTL classiques, et remplacent aventageusement les circuits de la série SN74xx. Les circuits de la série 74HC s'alimentent sous une tension comprise entre 2 V et 6 V et offrent des seuils de commutation compatibles CMOS. Les circuits 74HCT possèdent des seuils compatibles TTL. Les circuits 74HCU correspondent à une version "sans remise en forme" (U = Un-buffered) et permettent une fréquence d'utilisation plus élevée.
• Séries 74HC4000 et 74HCT4000 -
• Séries 74ACTxx, 74HCUxx -

Dénomination des circuits logiques CMOS

Tout comme pour les transistors et diodes, il existe une norme pour la dénomination des circuits intégrés de type CMOS de la famille "HEx4000". En voici le détail.

HEF4xxxBXY
| ||   |||
| ||   ||+-- Sélection éventuelle (par exemple B = déverminage)
| ||   |+--- Code boîtier (P = plastique, D = Céramique)
| ||   +---- B = Bufférisé, UB = non bufférisé
| |+-------- 4xxxx = Numéro du composant, 4 ou 5 chiffres
| +--------- Plage temp. F => -40 à +85°C, C => -55 à +125°C
+----------- HE = famille

Remarques

• Le code boîtier peut aussi être représenté par la lettre T, qui signifie Microboîtier (boîtier miniature).
• La notion de "bufférisé" (B = Buffered) ou "non bufférisé" (UB = UnBuffered) concerne le type de sortie des circuits logiques de cette famille. En règle générale il vaut mieux utiliser des circuits CMOS dont les sorties sont bufférisées, surtout si on veut les faire travailler à des vitesses élevées. Quelques rares applications imposent l'emploi de circuits dont les sorties ne sont pas bufférisées, il s'agit par exemple de montages dans lesquels les circuits intégrés logiques sont utilisés en régime linéaire (amplification en tension).
• Si la lettre B (Buffered) ou les lettres UB (UnBeffered) sont remplacées par la lettre V, cela signifie qu'on a affaire à un circuit dont la tension d'alimentation est réduite.

Compatibilité TTL / CMOS

Peut-on combiner dans un même schéma / montage des circuits intégrés TTL avec des circuits intégrés CMOS ?
Pas impossible que vous trouviez quelques pistes ou réponses à la page Compatibilité TTL / CMOS.

Découplage d'alimentation de circuits intégrés logiques

Il est de rigueur de placer un condensateur de découplage d'alimentation (en parallèle sur l'alimentation, entre la borne + et la borne - du circuit intégré) de l'ordre de 10 nF pour un boîtier comportant quelques portes logiques basiques (pour un SN7400 par exemple), valeur devant passer à quelque 100 nF pour une vingtaine de portes. Pour des circuits complexes tels que compteurs ou registres à décalage, un condensateur de 100 nF est également requis. Dans tous les cas, le ou les condensateurs de découplage d'alimentation doivent être placés au plus près du circuit logique concerné. Les buffers et les drivers de ligne sont particulièrement exposés aux "grosses" consommations, il convient d'apporter un soin particulier au découplage de leur alimentation. Les réalisations complexes faisant appel à de nombreux circuits numériques, ont tout intérêt à disposer d'une régulation d'alimentation locale, car les circuits numériques produisent des pointes de courant qui se traduisent par l'ajout de bruit sur les lignes d'alimentation, qui peuvent se répercuter sur des sections sensibles et les perturber. Une régulation locale présente l'avantage d'isoler le bruit généré par les circuits logiques, l'empêchant de remonter vers l'alimentation principale.

Circuits intégrés spécifiques

Ces circuits ont été développés pour remplir une tâche particulière. Ils peuvent travailler dans le domaine de l'analogique et/ou du numérique. Exemple : les enregistreurs de son de type ISD1016, les convertisseurs Numérique/Analogique et Analogique/Numérique, les drivers de LED en bargraphe genre U257 ou LM3914 ...

Intégration

L'intégration définit le nombre de composants que le circuit intégré peut contenir. Elle est définie par des initiales (SSI pour Small Scale Integration, VLSI pour Very Large Scale Integration, ULSI pour Ultra Large Scale Integration, etc). Il faut reconnaître cependant que les circuits intégrés comportent de plus en plus de composants (transistors notamment), et que ces termes sont de moins en moins utilisés. Il n'est en effet plus "futuriste" de parler de plusieurs centaines de millions de transistors dans un seul boîtier (CPU et GPU en sont de bons exemples).

Précautions à prendre

Un circuit intégré est un composant fragile. Il craint parfois les décharges électrostatiques (ESD) et la surchauffe. Il est conseillé de porter un bracelet conducteur relié à la terre, pendant la manipulation de ce genre de composant. Lorsqu'il est soudé, il ne doit pas être chauffé excessivement, sous peine de détérioration ou de destruction. Un conseil : utiliser un support de circuit intégré à chaque fois que cela est possible, pour éviter de souder directement le circuit intégré sur le circuit imprimé, cela réduit le stress thermique et facilite l'échange en cas de panne (dans certains contextes, on ne doit pas utiliser de support, mais pour un usage amateur, mieux vaut ne pas se poser la question et en mettre).

Boîtiers

Différents types de boîtiers sont proposés par les constructeurs, mais la grande majorité se présente sous la forme d'un rectangle noir en plastique, avec une ou deux rangées de pattes de connexion (appelées Broches en français ou Pin en anglais), voire plus pour les circuits à haute intégration. Certains CI ne sont disponibles que dans un type de boîtier donné, pour d'autres, vous devrez savoir les reconnaître pour commander la bonne référence. Souvent, des inscriptions sur le dessus du boîtier permettent de connaître l'origine du composant (nom ou logo du constructeur), ou d'en savoir un peu plus sur le composant (référence du composant lui-même, code de révision ou de variante, année de fabrication codée AASS). Parfois, un suffixe dans la référence indique le type de boîtier. Quelques exemples ci-dessous.

Boîtier DIL8 (deux rangées de 4 broches) - Exemple avec cet amplificateur BF LM386. Un certain nombre d'inscriptions sont visibles, mais en fait une seule nous intéresse vraiment ici : LM386N-4. LM386 indique clairement la référence du circuit. Mais quid de N-4 ?  Eh bien N-4 indique qu'il s'agit d'un modèle particulier du LM386, et qu'il peut en exister d'autres (d'autres types de boîtier, d'autres valeurs de puissance, etc). Par exemple, le LM386N4 peut délivrer une puissance de sortie de 1 W, alors que le LM386N3 peut délivrer 0,3 W. Autre exemple : le LM380N8 en boîtier DIL8 et le LM380N14 en boîtier DIL14 (deux amplis BF pouvant délivrer chacun 2,5 W)...

Boîtier DIL14 - Même type de boîtier que le boîtier DIL ci-avant. Même espace de 2,54 mm entre chaque broche, et même écartement entre les deux rangées de broches. Dans le même "format", il existe des boîtiers DIL6, DIL16, DIL18, DIL20, DIL24, etc. Le nombre qui suit le préfixe DIL représente directement le nombre de broches.

Boîtier CMS (CMS = Composant Monté en Surface) SOIC8 (deux rangées de 4 broches) - Exemple avec cet AOP hautes performances pour l'audio AD825. Ce composant se soude côté cuivre (côté soudure), ses pattes sont petites et ne traversent pas le circuit imprimé, contrairement au LM386 en boîtier DIL8 présenté ci-avant.

Boîtier Multiwatt15 (8 + 7 broches) - Exemple avec cet ampli BF MosFet 100W TDA7293. Ce type de boîtier est destiné à être placé sur un radiateur, le trou visible sur la semelle permet sa fixation. Il s'agit en effet d'un amplificateur BF de puissance, qui chauffe beaucoup quand on l'utilise à pleine capacité. Ne pas adjoindre de radiateur à ce circuit provoquerait des dysfonctionnements répétés et un vieillissement prématuré (pas une destruction directe car cet ampli est doté de protections efficaces).


Boîtier PLCC44 (quatre rangées de 11 broches) - Exemple, ce microcontrôleur MC68HC705C8ACFN. Ce type de circuit se place sur un support spécifique PLCC (voir Supports composants) et nécessite une pince spéciale pour l'en extraire.


Boîtier SIL9 (une seule rangée de 9 broches) - Exemple : le BA6418N, un circuit dédié à la commande de moteur bi-directionnel. Le nombre qui suit le préfixe SIL représente directement le nombre de broches.

Lien entre schéma et boîtier

Le lien entre schéma électronique et boîtier est très simple : il s'effectue grâce aux numéros des broches du circuit. L'exemple ci-dessous montre la représentation schématique de deux amplificateurs opérationnels (AOP). Chaque connexion du circuit schématique utilisé (mais aussi parfois celles qui ne sont pas utilisées et le plus souvent notées NC) est représentée par un numéro unique, qui correspond à chaque fois à une patte du composant physique. Deux pattes d'un même circuit ne peuvent donc pas porter le même numéro. Dans les deux dessins suivants, la relation est évidente, car le dessin du boîtier comporte le numéro des pattes et l'emplacement des AOP. Cela n'est malheureusement pas toujours le cas, et il faut alors savoir comment reconnaître les numéros des pattes. Eh bien c'est très simple : sur tous les circuits intégrés, il y a un détrompeur, prenant la forme d'une encoche ou d'un point dessiné. Ce détrompeur permet simplement de localiser la patte N°1, sachant qu'ensuite il suffit de "tourner" autour du circuit en incrémentant d'un point chaque patte. Pour ce faire, placez donc votre circuit intégré sur une table, pattes posées sur la table (chien debout) et non tournées vers vous (chien qui attend qu'on lui caresse le ventre). Localisez le détrompeur, et placez-le en haut. La première patte en haut à gauche est la patte N°1. La patte tout de suite en-dessous (toujours à gauche) est la patte N°2. Une fois arrivé tout en bas à gauche, vous continuez en bas à droite et vous remontez jusqu'en haut à droite (rotation dans le sens anti-horaire). Avec le dessin du circuit à 8 pattes représenté ci-dessous, vous devriez comprendre rapidement...

 

On trouve parfois des schémas électroniques sur lesquels le numéro des pattes des circuits intégrés n'est pas représenté. Dans ce cas, vous devrez effectuer une recherche de documentation sur les circuits afin d'en connaître les brochages. Avec un peu d'expérience, vous pourrez reconnaître des circuits non nommés, simplement en regardant comment ils sont raccordés. Et avec un peu plus d'expérience, vous retiendrez par coeur les numéros de pattes des circuits les plus fréquemment utilisés.

Détrompeur et boîtiers ronds...

Attention, pour les circuits intégrés ronds (format physique TO99), le détrompeur est situé en face de la dernière patte du composant (patte N°8 pour un CA3080 ou LM709, ou patte N°10 pour un SFC2723 par exemple). La lecture des numéros de pattes s'effectue alors en regardant le boîtier par le dessus et en plaçant le détrompeur en haut, comme pour les circuits rectangulaires finalement. Exemple ci-dessous avec l'AOP de type LM709 doté de 8 broches.



La première patte à gauche du détrompeur est la patte N°1, puis en comptant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, on tourne jusqu'à la dernière patte située vers le détrompeur.