Circuits logiques

les opérateurs ET, OU et NON permettent de faire tous les calculs nécessaires. Un ordinateur ou un automate fera un grand usage des ces opérateurs. Nous allons donc nous intéresser à leur réalisation concrète : les circuits logiques.

Un relais est un interrupteur commandé par un électro-aimant. Sur la figure, l'électro-aimant (1) peut actionner un levier (2) métallique qui va lui même déplacer une lame de métal (3) l'amenant ou non au contact de (4). La paire (3) - (4) est un interrupteur qui laisse passer ou non le courant.

Le Zuse 3, conçut en 1941 est un ancêtre d'ordinateur utilisant des relais. On peut distinguer les nombreux relais dans l'armoire sur la droite de l'image.

Ci-dessous un exemple de jeu de relais réalisant une fonction logique.

Si on appuie sur le bouton A, on alimente le relais 1 qui actionne l'interrupteur en vis à vis.

On comprend que l'ampoule sera alimentée si on appuie sur A et sur B ou C. On réalise ainsi l'équation logique A and (B or C).

Ce genre de dispositif est encore utilisé dans des automates mais est très insuffisants pour des ordinateurs :

• Chaque relais est très volumineux. On voit, sur la photo du Zuse 3, la place occupée par les 2000 relais.
• Les relais actionnent des interrupteurs mécaniques. Au mieux, un relais pourra s'actionner en un dixième de seconde et quelques centaines de milliers de fois. C'est peu comparé aux ordinateurs modernes !

On a utilisé les diodes et les triodes. Je ne détaille pas le fonctionnement mais l'idée générale est que la grille (Grid) permet de contrôler le passage du courant électrique entre l'anode et la cathode. Il s'agit là encore d'un interrupteur commandé.

Mais les triodes devaient être chauffées, elles étaient grosses et tombaient souvent en panne…

À droite, L'ENIAC est le premier calculateur entièrement électronique, en 1945. Il utilise environ 18 000 tubes à vide.

La révolution a lieu en 1947. À la suite de leurs travaux sur les semi-conducteurs, le transistor a été inventé le 23 décembre 1947 par les Américains John Bardeen, William Shockley et Walter Brattain, chercheurs des Laboratoires Bell – Ces chercheurs ont reçu pour cette invention le prix Nobel de physique en 1956.

Transistor = Transfer Résistor

Comme le triode, le transistor est un composant à 3 pattes avec une patte qui contrôle le passage du courant électrique à travers les deux autres. C'est un interrupteur commandé qui utilise les propriétés du silicium. Le silicium est un élément comme l'oxygène ou le carbone, il est abondant sur Terre – on le trouve par exemple dans le sable – et il est semi-conducteur : il n'est ni isolant ni conducteur d'électricité, il est entre deux et c'est pourquoi on peut le contrôler pour en faire un interrupteur.

Les transistors ont toutes les qualités : rapides, minuscules (on peut en mettre des millions sur 1 mm² !), robustes, peu gourmands…

Au cours des décennies, la maîtrise industrielle du silicium et de la fabrication des transistors s'est développées. Vous pouvez en avoir un aperçu dans cette courte vidéo – même si vous ne comprenez pas tout ce qui est dit dans la vidéo, vous aurez une idée générale de la technologie mise en œuvre.

Ci-dessous, un exemple de réalisation d'un circuit logique. Les composants à 3 pattes sont des transistors.

Comme pour le relais, il s'agit d'un jeu de branchement d'interrupteurs. Dans ce cas S = NON (A OU B).

Ce genre de circuit – en un peu plus compliqué, une vingtaine de transistors au lieu de quatre – est réalisé 4 fois identique dans le circuit intégré 4001. Sur la droite, les symboles représentent des circuit OU-NON (NOR) en norme américaine.

On peut même consulter la documentation technique du 4001 pour voir ce qu'il y a à l'intérieur – difficile à comprendre si on n'est pas électronicien…

On dit parfois : Porte logique – Logic Gate.

On peut représenter les opérateurs logiques ET, OU, NON sous forme de fonctions logiques. Pour cela on représente chaque opérateur par une boîte avec des entrées et une sortie.

Cette représentation correspond à la réalisation concrète du circuit : Le circuit OU ci-dessus aura bien deux 3 fils à brancher pour les entrées et 1 fil pour la sortie.

Une expression logique sera obtenue en branchant ces circuits les uns aux autres.

Ce circuit réalise l'équation : s = (a or b) and not b

Voir dans le fichier : lecture_circuit_logiques.exercices.pdf