Un 1 en 3,3 V est-il un 1 en 5 V ? Niveaux logiques, marges de bruit, fronts

La stratégie. Une sortie garantit une plage, une entrée en exige une : la liaison est sûre si la plage garantie est incluse dans la plage exigée, ce que disent exactement deux marges positives. Les fronts se traitent comme la charge d'un circuit $RC$, et la seule question est la durée passée entre les deux seuils, comparée aux durées du circuit.

1) La marge de bruit, une tension de parasite tolérée. Une sortie au niveau haut délivre au moins $V_{OH}$ ; l'entrée la lit $1$ tant qu'elle reste au-dessus de $V_{IH}$ : un parasite négatif d'amplitude inférieure à $M_H=V_{OH}-V_{IH}$ ne change donc rien. De même, au niveau bas, un parasite positif inférieur à $M_L=V_{IL}-V_{OL}$ est sans effet. Une marge positive est l'amplitude du bruit que la liaison tolère dans le pire cas ; une marge négative signifie que même sans bruit la lecture n'est pas garantie. Pour une famille seule :

• 74HC : $M_H=4,4-3,5=0,9\mathrm{V}$, $M_L=1,5-0,1=1,4\mathrm{V}$ ;
• 74LS : $M_H=2,7-2,0=0,7\mathrm{V}$, $M_L=0,8-0,5=0,3\mathrm{V}$ ;
• microcontrôleur : $M_H=2,4-2,0=0,4\mathrm{V}$, $M_L=0,8-0,4=0,4\mathrm{V}$.

La famille 74HC est la plus robuste, et de loin au niveau bas : ses sorties sont « franches » ($V_{OH}$ proche de l'alimentation, $V_{OL}$ proche de $0$), ce qui lui permet des seuils d'entrée éloignés de ses sorties.

2) Les interfaces. Microcontrôleur vers 74HC : $M_H=2,4-3,5=-1,1\mathrm{V}$, $M_L=1,5-0,4=+1,1\mathrm{V}$. La marge haute est négative : un $1$ garanti à $2,4\mathrm{V}$ tombe dans la zone interdite de la porte, et même la meilleure sortie possible, $3,3\mathrm{V}$, reste sous $3,5\mathrm{V}$ : un 1 en 3,3 V n'est pas un 1 pour une porte 74HC en 5 V. Microcontrôleur vers 74HCT : $M_H=2,4-2,0=+0,4\mathrm{V}$, $M_L=0,8-0,4=+0,4\mathrm{V}$ : la liaison est sûre. C'est la raison d'être de la famille 74HCT : des seuils d'entrée abaissés, qui en font une porte d'adaptation. 74LS vers 74HC : $M_H=2,7-3,5=-0,8\mathrm{V}$, $M_L=1,5-0,5=+1,0\mathrm{V}$ : même défaut, pour la même raison.

3) Des marges excellentes, et pourtant. 74HC vers microcontrôleur : $M_H=4,4-2,0=+2,4\mathrm{V}$ et $M_L=0,8-0,1=+0,7\mathrm{V}$. Les marges sont positives et larges ; mais l'entrée reçoit jusqu'à $5\mathrm{V}$ alors que le circuit est alimenté sous $3,3\mathrm{V}$ : la tension d'entrée dépasse l'alimentation, ce qu'une entrée ordinaire ne supporte pas. Il faut une entrée déclarée « tolérante 5 V », ou un diviseur de tension de rapport $2/3$, qui ramène $5\mathrm{V}$ à $3,3\mathrm{V}$ et $4,4\mathrm{V}$ à $2,9\mathrm{V}$, encore au-dessus de $V_{IH}$. La marge ne dit pas tout : elle garantit la lecture, pas la survie de l'entrée.

4) Un parasite de 0,5 V. En 74LS, un niveau bas peut valoir $0,5\mathrm{V}$ ; avec le parasite, l'entrée reçoit jusqu'à $1,0\mathrm{V}$, au-dessus de $V_{IL}=0,8\mathrm{V}$ : la lecture n'est plus garantie. C'est ce que dit $M_L=0,3\mathrm{V}<0,5\mathrm{V}$. En 74HC, $0,1+0,5=0,6\mathrm{V}<1,5\mathrm{V}$ : le $0$ reste sûr, puisque $M_L=1,4\mathrm{V}$. Le critère se lit en une comparaison : un parasite est inoffensif s'il est inférieur à la marge.

5) Un front rapide. La charge d'une capacité à travers une résistance sous un échelon $E=3,3\mathrm{V}$ donne $v(t)=E\left(1-e^{-t/\tau }\right)$, avec $\tau =R_{s}C=50\times 20\times 10^{-12}=1,0\mathrm{ns}$. La tension atteint la valeur $v$ à l'instant $t=\tau \ln \frac{E}{E-v}$, donc entre en zone interdite à $t_1=\tau \ln \frac{3,3}{2,5}=0,28\tau$ et en sort à $t_2=\tau \ln \frac{3,3}{1,3}=0,93\tau$. Elle y reste $$t_2-t_1=\tau \ln \frac{2,5}{1,3}=0,65\tau =0,65\mathrm{ns}.$$ Homogénéité : un logarithme de rapport de tensions est sans dimension, $\tau$ est une durée. Devant la période d'une horloge de $10\mathrm{MHz}$, $100\mathrm{ns}$, c'est négligeable : le front est « instantané » au sens du cours. Devant une période de $1\mathrm{ns}$, il en occupe les deux tiers : l'idéalisation tombe.

6) Un front lent, et bruité. La même loi avec $\tau =1\mathrm{ms}$ donne $0,65\mathrm{ms}$ dans la zone interdite. La pente au passage du seuil vaut $\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}=\frac{E-v}{\tau }=\frac{3,3-1,4}{1\mathrm{ms}}=1,9\mathrm{V}\mathrm{m}{\mathrm{s}}^{-1}$. Tant que le signal lent est à moins d'une demi-amplitude de bruit du seuil, le bruit peut le faire passer au-dessus ou au-dessous : il traverse cette bande de $50\mathrm{mV}$ en $$\Delta t=\frac{0,05\mathrm{V}}{1,9\mathrm{V}\mathrm{m}{\mathrm{s}}^{-1}}\approx 26\mu \mathrm{s}.$$ Pendant ces $26\mu \mathrm{s}$, chaque oscillation d'un bruit de quelques centaines de kilohertz peut faire basculer l'entrée : un compteur d'impulsions compte plusieurs fronts pour un seul. Le remède est une entrée à deux seuils, qui ne bascule vers $1$ qu'au-dessus d'un seuil haut et ne revient à $0$ qu'au-dessous d'un seuil bas : un bruit plus petit que l'écart des seuils ne la fait plus hésiter (une entrée à mémoire, qui relève de la logique séquentielle).

(Bruit modélisé par une sinusoïde de $25\mathrm{mV}$ d'amplitude et de période $5\mu \mathrm{s}$ : six fronts montants lus pour une seule montée.)

Ce que l'exercice installe. Un bit est une plage de tension : deux circuits ne se parlent que si les deux marges de bruit sont positives, et une marge positive ne dispense pas de vérifier que la tension reste dans ce que l'entrée supporte. Un front n'est instantané que comparé aux durées du circuit : sa traversée de la zone interdite dure $0,65RC$ sous $3,3\mathrm{V}$, négligeable à $10\mathrm{MHz}$, critique à $1\mathrm{GHz}$, et un front lent et bruité se lit comme plusieurs fronts.