Utilisation des Résistances Pull-up et Pull-down dans les Circuits Logiques Numériques
Les résistances Pull-up et Pull-down sont utilisées pour polariser correctement les entrées des portes logiques numériques, afin d’éviter qu’elles ne flottent de manière aléatoire lorsqu’il n’y a pas de condition d’entrée.
Les portes logiques numériques peuvent être connectées à des circuits ou dispositifs externes, mais il est essentiel de veiller à ce que leurs entrées ou sorties fonctionnent correctement et fournissent la condition de commutation attendue, et les résistances Pull-up accomplissent précisément cela.
Les portes logiques numériques modernes, ainsi que les circuits intégrés (CI) et les microcontrôleurs, possèdent de nombreuses entrées, appelées “broches”, ainsi qu’une ou plusieurs sorties. Ces entrées et sorties doivent être correctement définies, soit HAUTE, soit BASSE, pour que le circuit numérique fonctionne correctement.
Nous savons que les portes logiques constituent le bloc de base de tout circuit logique numérique et qu’en utilisant des combinaisons des trois portes de base, la porte AND, la porte OR et la porte NOT, nous pouvons construire des circuits combinatoires assez complexes. Cependant, étant numériques, ces circuits ne peuvent avoir qu’un des deux états logiques, appelés état logique “0” ou état logique “1”.
Ces états logiques sont représentés par deux niveaux de tension différents, où toute tension en dessous d’un certain seuil est considérée comme un “0” logique, et toute tension au-dessus d’un autre seuil est considérée comme un “1” logique. Par exemple, si les deux niveaux de tension sont 0V et +5V, alors 0V représente un “0” logique et +5V représente un “1” logique.
Si les entrées d’une porte logique numérique ou d’un circuit ne se situent pas dans la plage permettant de les reconnaître soit comme une entrée “0” logique soit comme une entrée “1” logique, alors le circuit numérique peut être déclenché de manière erronée, car la porte ou le circuit ne reconnaît pas la valeur d’entrée correcte, le niveau HAUT peut ne pas être suffisamment élevé ou le niveau BAS peut ne pas être suffisamment bas.
Considérons, par exemple, le circuit numérique présenté. Les deux interrupteurs, “a” et “b”, représentent les entrées d’une porte logique générique. Lorsque l’interrupteur “a” est fermé (ACTIVÉ), l’entrée “A” est connectée à la terre (0V) ou au niveau logique “0” (BAS), et de même, lorsque l’interrupteur “b” est fermé (ACTIVÉ), l’entrée “B” est également connectée à la terre, au niveau logique “0” (BAS) et c’est la condition correcte que nous exigeons.
Cependant, lorsque l’interrupteur “a” est ouvert (DÉSACTIVÉ), quelle sera la valeur de la tension appliquée à l’entrée “A”, HAUTE ou BASSE ? On pourrait supposer qu’elle serait de +5V (HAUTE) étant donné que l’interrupteur “a” est ouvert, ce qui signifie que l’entrée “A” n’est pas court-circuitée à la terre, mais cela peut ne pas être le cas. Comme l’entrée est désormais effectivement déconnectée d’une condition HAUTE ou BASSE définie, elle a la capacité de “flotter” entre 0V et +5V (Vcc), permettant à l’entrée de se polariser elle-même à n’importe quel niveau de tension, qu’il représente une condition HAUTE ou BASSE.
Cette situation incertaine peut amener l’entrée numérique à “A” à rester à un niveau logique “0” (BAS) lorsque l’interrupteur est ouvert, alors que nous avons réellement besoin d’un niveau logique “1” (HAUT), provoquant ainsi un déclenchement erroné de la sortie à “Q”. Une fois qu’elle est là, ce signal d’entrée flottant et faible pourrait facilement changer de valeur au moindre interference ou bruit provenant de ses entrées voisines, ou pourrait même provoquer une oscillation, rendant la porte pratiquement inutilisable. La même situation est également valable pour l’entrée “B”.
Pour éviter l’activation accidentelle des circuits numériques, toute entrée non connectée, appelée “entrée flottante”, doit être raccordée à un “1” logique ou à un “0” logique, selon ce qui convient au circuit. Nous pouvons facilement faire cela en utilisant ce qu’on appelle des résistances Pull-up et résistances Pull-down pour donner à la broche d’entrée un état par défaut défini, même si l’interrupteur est ouvert, fermé ou s’il n’y a rien de connecté.
Les Résistances Pull-up
La méthode la plus courante pour s’assurer que les entrées des portes logiques numériques et des circuits ne peuvent pas se polariser elles-mêmes et flotter est de connecter directement les broches non utilisées à la terre (0V) pour une entrée constante “0” (pour les portes OR et NOR), ou directement à Vcc (+5V) pour une entrée constante “1” (pour les portes AND et NAND). Reprenons nos deux entrées commutées mentionnées précédemment.
Cette fois, pour empêcher les deux entrées, A et B, de “flotter” lorsque les interrupteurs correspondants, “a” et “b”, sont ouverts (DÉSACTIVÉS), les deux entrées sont connectées à l’alimentation de +5V.
Vous pourriez penser que cela fonctionnerait correctement, car lorsque l’interrupteur “a” est ouvert (DÉSACTIVÉ), l’entrée est connectée à Vcc (+5V), et lorsque l’interrupteur est fermé (ACTIVÉ), l’entrée est connectée à la terre comme avant, donc les entrées “A” ou “B” ont toujours un état par défaut, quelle que soit la position de l’interrupteur.
Cependant, il s’agit d’une condition problématique, car lorsque l’un ou l’autre des interrupteurs sont fermés (ACTIVÉS), il y aura un court-circuit direct entre l’alimentation de +5V et la terre, entraînant un flux de courant excessif pouvant faire sauter un fusible ou endommager le circuit, ce qui n’est pas une bonne nouvelle. Une façon de contourner ce problème consiste à utiliser une résistance pull-up connectée entre la broche d’entrée et le rail d’alimentation de +5V, comme montré.
Application de la Résistance Pull-up
En utilisant ces deux résistances pull-up, une pour chaque entrée, lorsque l’interrupteur “A” ou “B” est ouvert (DÉSACTIVÉ), l’entrée est effectivement connectée à l’alimentation de +5V via la résistance pull-up. Le résultat étant qu’il y a très peu de courant d’entrée dans l’entrée de la porte logique, donc très peu de tension est chutée à travers la résistance pull-up, ainsi presque toute la tension d’alimentation de +5V s’applique à la broche d’entrée, créant une condition logique HAUTE, “1”.
Lorsque les interrupteurs “A” ou “B” sont fermés, (ACTIVÉS), l’entrée est court-circuitée à la terre (BAS), provoquant une condition logique “0” à l’entrée, comme auparavant. Cependant, cette fois nous ne court-circuitons pas la ligne d’alimentation, car la résistance pull-up ne laisse passer qu’un faible courant (déterminé par la loi d’Ohm) à travers l’interrupteur fermé vers la terre.
En utilisant une résistance pull-up de cette manière, l’entrée a toujours un état logique par défaut, soit “1” soit “0”, haute ou basse, en fonction de la position de l’interrupteur, réalisant ainsi la fonction de sortie correcte de la porte à “Q” et empêchant donc l’entrée de flotter ou de se polariser elle-même, nous offrant exactement la condition de commutation dont nous avons besoin.
Calcul de la Valeur de Résistance Pull-up
Toutes les portes logiques numériques, circuits et microcontrôleurs sont limités non seulement par leur tension de fonctionnement, mais également par la capacité d’absorption et de sourcing de courant de chaque broche d’entrée. Les circuits logiques numériques fonctionnent avec deux états binaires généralement représentés par deux tensions distinctes : une tension élevée, VH, pour un “1” logique et une faible tension, VL, pour un “0” logique. Mais dans chaque état de tension, il existe une plage de tensions qui définissent les tensions supérieures et inférieures de ces deux états binaires.
Valeur de Résistance Pull-up pour une Seule Porte
En utilisant la loi d’Ohm, la résistance pull-up maximale requise pour faire chuter 3 volts pour une seule porte logique série TTL 74LS serait de 150kΩ. Bien que cette valeur calculée fonctionne, cela ne laisse aucune marge d’erreur, car la chute de tension à travers la résistance est à son maximum tandis que le courant d’entrée est à son minimum.
Idéalement, nous voudrions qu’un “1” logique soit aussi proche de Vcc que possible pour garantir à 100% que la porte reçoit un niveau HAUT (logique-1) à travers la résistance pull-up. Réduire la valeur de la résistance pull-up donnerait une plus grande marge d’erreur si la tolérance de la résistance ou la tension d’alimentation ne sont pas telles que calculées. Cependant, nous ne voulons pas que la valeur de résistance soit trop basse, car cela augmenterait le flux de courant vers la porte, augmentant ainsi la dissipation d’énergie.
Si nous supposons une chute de tension de seulement un volt (1.0V) à travers la résistance, donnant une tension d’entrée de 4 volts, un calcul rapide nous donnerait une valeur de résistance pull-up unique de 50kΩ. Réduire davantage la valeur de résistance produira une chute de tension plus petite mais augmentera le courant.
Nous pouvons donc voir que, bien qu’il puisse y avoir une valeur de résistance maximale autorisée, la valeur de résistance des résistances pull-up n’est généralement pas aussi critique, avec des valeurs de résistance allant d’environ 10k à 100k ohms acceptable.
Ce simple exemple nous donne la valeur maximale de la résistance pull-up requise pour polariser une unique porte TTL. Mais nous pouvons également utiliser la même résistance pour polariser plusieurs entrées à une valeur “1” logique.
Par exemple, supposons que nous avons construit un circuit numérique et qu’il y a dix entrées de porte logique inutilisées. Une seule porte TTL standard 74LS a un courant d’entrée, IIH(max), de 20μA (appelé aussi un fan-in de 1), alors dix portes logiques TTL nécessiteraient un courant total de : 10 x 20μA = 200μA, représentant un fan-in de 10.
Valeur de Résistance Pull-up pour Plusieurs Portes
Ici, le fan-in est donné à 10, mais si “n” entrées TTL sont connectées ensemble, alors le courant à travers la résistance serait “n” fois IIH(max). Encore une fois, comme auparavant, cette résistance de 15kΩ peut être la valeur calculée exacte, mais cela laisse peu de place à l’erreur. Donc, réduire la chute de tension à un volt (ou à toute valeur que vous souhaitez) donne une valeur de résistance de seulement 5kΩ.
Exemple de Résistance Pull-up N°1
Deux portes NAND TTL 74LS00 ainsi qu’un interrupteur à un pôle et double position doivent être utilisés pour créer un simple bistable Set-Reset. Calculez : 1). Les valeurs maximales pour les résistances pull-up si la tension représentant une entrée logique HAUTE doit être maintenue à 4.5 volts lorsque l’interrupteur est ouvert, et 2). Le courant circulant à travers la résistance lorsque l’interrupteur est fermé (supposez une résistance de contact nulle).
Données fournies : Vcc = 5V, VIH = 4.5V, et IIH(max) = 20μA.
Circuit Bistable Set-Reset
Les Résistances Pull-down
Une résistance Pull-down fonctionne de la même manière que la résistance pull-up précédente, sauf qu’ cette fois, l’entrée de la porte logique est reliée à la terre, niveau logique “0” (BAS) ou peut devenir HAUTE par l’opération d’un interrupteur mécanique.
Cette configuration de résistance pull-down est particulièrement utile pour les circuits numériques tels que les latchs, les compteurs et les flip-flops qui nécessitent un déclenchement positif lors de la fermeture momentannée d’un interrupteur pour provoquer un changement d’état.
Bien qu’elles semblent fonctionner de la même manière que la résistance pull-up, la valeur résistive d’une résistance passif pull-down est plus critique avec les portes logiques TTL plutôt qu’avec des portes CMOS similaires. Cela est dû au fait qu’une entrée TTL source beaucoup plus de courant en état BAS.
Comme nous l’avons vu précédemment, le niveau de tension maximal représentant un “0” logique (bas) pour une porte logique de série TTL 74LSxxx est compris entre 0 et 0.8 volts (VIL(MAX) = 0.8V). De plus, lorsque c’est BAS, la porte source un courant de 400μA (IIL = 400μA). La valeur maximale de la résistance pull-down pour une seule porte logique TTL est donc calculée comme suit :
Valeur de Résistance Pull-down pour une Seule Porte
Ainsi, la valeur maximale de la résistance pull-down est calculée à 2kΩ. Encore une fois, comme avec les calculs de résistance pull-up, cette valeur de résistance de 2kΩ ne laisse pas de place à l’erreur car la chute de tension est à son maximum.
Si la résistance est trop élevée, la chute de tension à travers la résistance pull-down peut entraîner une tension d’entrée de porte au-delà de la plage normale de tension BAS. Donc, pour assurer une commutation correcte, il est préférable d’avoir une tension d’entrée de 0.5 volts ou moins.
Application de la Résistance Pull-down
Donc, si nous supposons une chute de tension de seulement 0.4 volts à travers la résistance, un calcul rapide nous donnerait une valeur de résistance pull-down unique de 1kΩ.
Réduire davantage la valeur résistive produira une chute de tension plus petite, renforçant ainsi l’entrée à la terre (basse). Cette valeur de fiche d’entrée de 400μA ou 0.4mA (IIL) est le minimum pour le courant BAS, mais cela peut être plus élevé.
De plus, connecter plusieurs entrées ensemble entraînera un courant plus élevé à travers la résistance. Par exemple, un fan-in de 10 entraînera 10 x 400μA = 4.0mA, nécessitant une résistance pull-down de 100Ω.
Mais vous pourriez vous demander, pourquoi utiliser une résistance pull-down alors qu’une connexion directe à la terre (0V) produirait le BAS requis ? Une connexion directe à la terre sans la résistance pull-down fonctionnerait certainement dans la plupart des cas, mais puisque l’entrée de la porte est constamment reliée à la terre, l’utilisation d’une résistance limite le courant s’écoulant de l’entrée, réduisant ainsi les pertes de puissance tout en maintenant une condition logique “0”.
Sorties à Collecteur Ouvert
Jusqu’à présent, nous avons vu que nous pouvons utiliser soit une résistance pull-up, soit une résistance pull-down pour contrôler le niveau de tension d’une porte logique. Mais nous pouvons également utiliser des résistances pull-up sur la sortie d’une porte pour permettre la connexion de différentes technologies de portes, par exemple de TTL à CMOS ou pour des applications de transmission de ligne nécessitant des courants et des tensions plus élevées.
Pour surmonter cela, certaines portes logiques sont fabriquées avec le collecteur des circuits internes de sortie laissé ouvert, ce qui signifie que la porte logique ne tire pas effectivement la sortie à un niveau HAUT, mais seulement à un niveau BAS, car c’est le rôle des résistances pull-up externes de le faire. Un exemple en est la porte NAND TTL 74LS01 Quad à collecteur ouvert, contrairement à la porte NAND Quad 74LS00 standard.
Les sorties à collecteur ouvert (OC) ou à drain ouvert pour CMOS sont couramment utilisées dans les CI de tampon/inverseur/drivers (TTL 74LS06, 74LS07), permettant une capacité de courant et/ou de tension de sortie supérieure à celle que vous obtiendriez avec des portes logiques ordinaires.
Par exemple, pour piloter une charge importante telle qu’un indicateur LED, un petit relais ou un moteur à courant continu. Dans tous les cas, le principe et l’utilisation de la résistance pull-up sont à peu près les mêmes que pour l’entrée.
Les portes logiques, microcontrôleurs et autres circuits numériques possédant des sorties à collecteur ouvert ne peuvent pas tirer leurs sorties à un niveau HAUT, car il n’y a pas de chemin interne vers la tension d’alimentation, (Vcc). Cette condition signifie que leur sortie est soit mise à la terre lorsqu’elle est BASSE, soit flottante lorsqu’elle est HAUTE, de sorte qu’une résistance pull-up externe (Rp) doit être connectée du terminal à collecteur ouvert du transistor pull-down à l’alimentation Vcc.
Avec des résistances pull-up connectées, la sortie fonctionne toujours de la même manière qu’une porte logique normale en ce sens que lorsque le transistor de sortie est OFF (ouvert), la sortie est HAUTE, et lorsque le transistor est ON (fermé), la sortie est BASSE. Ainsi, le transistor s’enclenche pour tirer la sortie à un niveau BAS.
La taille de la résistance pull-up dépend de la charge connectée et de la chute de tension à travers la résistance lorsque le transistor est OFF. Lorsque la sortie est BASSE, le transistor doit être capable d’absorber le courant de charge à travers la résistance pull-up. De même, lorsque la sortie est HAUTE, le courant à travers la résistance pull-up doit être suffisamment élevé pour tout ce qui y est connecté.
Comme nous l’avons vu plus tôt avec l’entrée, la sortie d’une porte logique numérique fonctionne en utilisant deux états binaires qui sont représentés par deux tensions distinctes : une tension élevée VH pour un “1” logique et une faible tension VL pour un “0” logique. Dans chacun de ces deux états de tension, il existe une plage de tensions qui définissent leurs tensions supérieures et inférieures.
VOH(min) est la tension de sortie minimale garantie d’être reconnue comme sortie logique “1” (HAUTE) et pour les TTL, cela est donné à 2.7 volts. VOL(max) est la tension de sortie maximale garantie d’être reconnue comme sortie logique “0” (BASSE) et pour TTL, cela est donné à 0.5 volts. En d’autres termes, les tensions de sortie TTL 74LSxxx entre 0 et 0.5V sont considérées comme “BASSES”, et celles entre 2.7 et 5.0V sont considérées comme “HAUTES”.
Lorsque des portes logiques sont interconnectées, le courant circule entre la sortie d’une porte logique et l’entrée d’une autre. Le montant de courant requis par une entrée de porte logique TTL de base dépend de l’état de l’entrée, qu’il s’agisse d’un “0” logique (BA
