Symboles, types et caractéristiques des portes logiques
Symboles, types et caractéristiques des portes logiquesDate de publication: 19-04-2023 Date de mise à jour: 10-04-2026 🕒 12 min de lecture
Le monde d’aujourd’hui est dominé par les systèmes numériques – ordinateurs, smartphones, mais aussi réfrigérateurs intelligents, systèmes domotiques qui nous facilitent la vie. Il n’est même pas nécessaire de mentionner les systèmes industriels extensifs. Tous ces appareils nécessitent une électronique bien conçue, équipée de processeurs, de mémoires et de systèmes de traitement de données. Chacun de ces éléments peut être représenté comme un élément électronique séparé, mais en réalité ces puces sont constituées d’un grand nombre d’éléments plus petits, qui sont des portes logiques. Ceux-ci, en revanche, sont constitués de composants encore plus petits, c’est-à-dire transistors. Dans cet article, nous ne descendrons cependant pas à un niveau aussi bas et nous resterons avec des portes logiques.
Fonctions logiques et algèbre de Boole
Comment fonctionnent vraiment les ordinateurs ? Chaque tâche, qu’il s’agisse de rechercher sur Internet ou d’utiliser des programmes, effectuée par l’unité centrale se résume en fin de compte à des calculs mathématiques et à un transfert de données.
Cependant, les ordinateurs comptent d’une manière légèrement différente de ce que nous pourrions penser. Puisque nous sommes êtres humains, nous nous sommes habitués à l’arithmétique décimale, c’est-à-dire celle dans laquelle nous avons à notre disposition dix chiffres de 0 à 9. Grâce à eux, nous pouvons construire des nombres plus grands. Cependant, l’ordinateur fonctionne de manière légèrement différente, il fonctionne sur un système binaire. Cela signifie qu’il n’a que deux chiffres, 0 et 1, et que d’autres chiffres doivent être créés sur leur base. Dans les systèmes numériques, les zéros et les uns sont appelés états logiques (0 – état bas, 1 – état haut) et sont étroitement liés aux niveaux de tension. Autrement dit, zéro – pas de tension, 1 logique – il y a de la tension.
Tout comme le système décimal est régi par certaines lois, l’arithmétique binaire l’est aussi. Dans ce cas, nous utilisons l’algèbre booléenne, qui se traduit par des fonctions logiques. C’est sur eux que reposent les portes logiques précédemment citées. Chaque porte exécute l’une des fonctions logiques de base. En les combinant dans des structures plus grandes, nous sommes en mesure de construire des systèmes très avancés, tels que des processeurs.
Où pouvons-nous trouver des portes logiques ?
Initialement, les portes logiques étaient produites en tant que circuits intégrés uniques qui pouvaient avoir plusieurs de ces constructions à l’intérieur. À cette époque, les ingénieurs qui souhaitaient construire un appareil plus grand devaient concevoir des circuits assez volumineux, équipés de nombreux circuits intégrés individuels. Un exemple ici peut être la construction des premiers ordinateurs, qui occupaient plusieurs pièces. Initialement, ils étaient construits sur des circuits réalisés en technologie TTL, c’est-à-dire à base de transistors bipolaires. Grâce aux puces TTL, le premier standard logique a été créé, dans lequel les systèmes étaient alimentés en 5 V, tandis que les plages de tension pour haut et bas étaient respectivement de 2 V à 5 V et de 0,4 V à 0,8 V. Après un certain temps, des systèmes basés sur des transistors à effet de champ (nous les appelons CMOS) ont également été développés. Il existe plusieurs différences entre TTL et CMOS, mais les plus importantes sont la tension d’alimentation et la consommation électrique. Les systèmes CMOS, par rapport aux conceptions antérieures, peuvent être alimentés par une tension beaucoup plus élevée (jusqu’à environ 15 V) et consomment beaucoup moins de courant, ce qui est particulièrement utile dans les conceptions de batterie.
Avec le développement de la technologie, tout s’est miniaturisé. Ce processus impliquait également des portes logiques (bien sûr, on peut encore les trouver sous forme de circuits individuels) qui sont devenues une partie indissociable des cœurs de silicium des circuits intégrés. Récemment, les portes logiques simples, placées dans de petits boîtiers SMD, ont également gagné en popularité. C’est une solution très pratique, étant donné que les fabricants d’équipements électroniques essaient constamment de réduire les coûts.
Il convient également de mentionner que les portes logiques sont des circuits asynchrones. Cela les distingue de la plupart des systèmes utilisés aujourd’hui qui ont besoin d’un signal d’horloge pour fonctionner correctement – ces puces sont dites synchrones. Dans les portes logiques, le signal de sortie réagit presque instantanément à une modification de l’impulsion d’entrée. La seule limitation ici sont les temps de propagation, c’est-à-dire les nanosecondes, dans lesquels la structure de silicium réagira à un changement de tension.
Portes logiques de base
Comme nous le savons déjà, chaque porte exécute une fonction logique sélectionnée, et nous discuterons ci-dessous des types individuels, sur la base d’exemples spécifiques.
Porte NOT
La porte NOT est l’une des constructions les plus simples. Elle dispose d’une seule entrée et d’une seule sortie. Cette porte remplit la fonction de négation, c’est-à-dire d’inverser l’état de l’entrée et de le transférer vers la sortie. En donnant un état haut à l’entrée, on obtient un état bas à la sortie. De même, en donnant un état bas à l’entrée, un état logique apparaîtra en sortie. La description du fonctionnement des portes logiques est généralement donnée sous la forme des soi-disant tables de vérité.
| A | Y |
|---|---|
| A | Y |
| 1 | 0 |
| 0 | 1 |
Ce n’est rien de plus qu’une représentation graphique de son fonctionnement. Du côté gauche, dans la colonne correspondant à l’entrée A, il y a tous les états que peut prendre cette entrée, c’est-à-dire 1 et 0. De l’autre côté, il y a ceux qui apparaîtront à la sortie de la porte marquée de la lettre Y. De plus, la porte NOT peut être décrite par l’équation , donc sur la sortie Y nous obtenons un signal négatif A. La négation est marquée par une ligne horizontale au-dessus de la lettre.
Le symbole de la porte NOT est un petit triangle avec une entrée et une sortie de chaque côté. Il y a un petit cercle à la sortie.
Porte AND
La porte AND est une construction à deux entrées, dans laquelle un 1 logique n’apparaîtra en sortie que lorsque les deux entrées sont hautes. En d’autres termes, AND (ou en français ‘ET’) remplit la fonction du produit (également appelé conjonction), décrit par la formule Y = AB. Il convient de savoir que la porte AND peut avoir plus de deux versions d’entrée, mais son fonctionnement reste identique.
| A | B | Y |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
Le symbole de la porte AND ressemble à une combinaison d’un demi-carré et d’un cercle avec des entrées à gauche et une sortie à droite.
Porte NAND
La porte NAND (ou ET-NON) est une autre des portes logiques de bas. Cette construction est littéralement l’inverse de la porte AND. Sa sortie sera élevée dans tous à l’exception d’un cas où toutes les entrées sont élevées. Nous pouvons imaginer la porte NAND comme AND, avec une porte NOT supplémentaire (une ou plusieurs) placée sur la sortie. Il convient de rappeler que, comme dans la porte AND, le nombre d’entrées ici est presque illimité.
| A | B | Y |
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
La porte NAND est parfois décrite par une fonction logique d’équation : Y=\bar{AB}. Le symbole NAND est presque identique à la porte AND, la seule différence est le cercle placé en sortie.
La porte OR
L’une des portes logiques de base est également une construction qui implémente la fonction de la somme (de l’alternative). Nous l’appelons la porte OR (en fr. OU). Comme son nom l’indique, cette porte ajoutera des signaux provenant d’entrées, qui peuvent être très nombreuses. En d’autres termes, la sortie sera un 1 logique lorsque l’une des entrées prendra cet état. Cependant, si certaines ou même toutes les entrées sont en état haut, la sortie sera également en état haut.
| A | B | Y |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
La fonction logique décrivant la porte OR est Y = A+B, et son symbole diffère considérablement des portes mentionnées précédemment et ressemble à la forme des pointes de flèche.
La porte NOR
Tout comme la porte NAND est l’inverse de la porte AND, la porte NOR est l’inverse de la porte OR. Les similitudes ne s’arrêtent pas là, la porte NOR peut aussi être imaginée comme une porte OR, avec une porte NOT (ou plusieurs) placée en sortie infirmant les états des entrées, qui, comme dans les constructions précédentes, peuvent être très nombreuses. Le fonctionnement de la porte est assez simple, la sortie ne sera en état haut que lorsqu’un zéro logique apparaîtra sur toutes les entrées. Pour les décrire, nous utilisons la fonction
| A | B | Y |
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 |
Le symbole de la porte NOR est une figure ressemblant quelque peu à une pointe de flèche (comme dans le cas de OR), avec un cercle à la sortie. De même, les entrées sont placées à gauche, et la sortie à droite.
La porte XOR
L’une des constructions logiques classiques est également la porte XOR. Son fonctionnement est assez intéressant, car elle ne mettra la sortie haute que lorsque les entrées sont différentes les unes des autres. Autrement dit, lorsqu’on donne 1 à l’une des entrées et à l’autre 0. Si toutes les entrées prennent le même état, un zéro logique apparaîtra à la sortie de la porte. Une telle fonction logique est décrite par la formule et est appelée une alternative disjointe ou une somme modulo 2.
| A | B | Y |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
La représentation graphique de la porte XOR ressemble à la pointe de flèche connue des portes OR et NOR, mais il y a une différence : ici une ligne parallèle au côté gauche a été placée en plus. Les entrées et sorties sont classiquement placées à gauche et à droite.
La porte XNOR
La porte XOR possède également son inverse qui est appelé la porte XNOR. Son fonctionnement, comme dans d’autres constructions « inverses » est la négation de la porte de base. Dans ce cas, pour obtenir un état haut en sortie, il faut donner le même état à toutes les entrées, peu importe que ce soit un 1 logique ou un zéro.
| A | B | Y |
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
Le fonctionnement de la porte XNOR est décrite par la formule et son symbole est presque identique à la porte XOR, avec un petit cercle supplémentaire en sortie.
La porte qui ne change rien ?
Des constructions assez intéressantes, qui peuvent être incluses dans le groupe des portes logiques, sont les buffers et les buffers à trois états. En regardant simplement le symbole graphique, vous pouvez les associer à une porte NOT, sans le cercle à la sortie. Le buffer est-il alors l’inverse de la porte NOT ? Oui, mais pourquoi utiliser l’inverse de la négation, c’est-à-dire transférer l’état de l’entrée vers la sortie, si une telle porte ne remplit aucune fonction logique ? La réponse à cette question est l’efficacité actuelle. La sortie de chaque porte logique a une certaine efficacité, c’est-à-dire qu’on peut y connecter un certain nombre d’entrées d’autres portes ou, par exemple, des LEDs. Si la capacité est dépassée, nous endommagerons irrémédiablement le portail. Dans ce cas, un buffer dont l’efficacité du courant de sortie est beaucoup plus élevée doit être utilisé. Cela ne changera pas l’état du signal, mais cela vous permettra de connecter plus de récepteurs.
Le deuxième symbole dans le graphique est le buffer à trois états. Il ne change pas non plus l’état du signal, mais il possède une entrée supplémentaire marquée de la lettre S. Il permet de « déconnecter » la sortie, et de la mettre professionnellement, de la mettre dans un état de haute impédance défini par la lettre Z. Dans cet état (également appelé état indéfini), nous ne sommes pas en mesure de dire quel signal est à la sortie de la porte, vous pouvez l’imaginer comme un fil suspendu dans les airs sans rien y connecter.
| A | S | Y |
| 0 | 0 | Z |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | Z |
| 1 | 1 | 1 |
Si le buffer à trois états est activé avec un état haut à l’entrée S, alors seulement dans ce cas l’état de l’entrée sera transféré à la sortie, sinon la sortie sera mise dans un état d’impédance élevée. Ces types de constructions sont utilisés pour améliorer l’efficacité actuelle de la sortie mais aussi lorsque nous devons déconnecter un circuit donné du reste du système. Des buffers à trois états ont également été utilisés avec des constructions numériques plus grandes, dans lesquelles les données étaient envoyées via des bus. Il était assez facile de déconnecter un module donné du bus, grâce auquel les autres parties du système pouvaient facilement s’envoyer des informations.
Connexion des portes logiques
Lors de l’examen du sujet des portes logiques, il est impossible de ne pas mentionner les voies et les principes de leur connexion. Autrement dit, les sorties des portes ne peuvent pas être combinées ! Il s’agit d’une règle généralement acceptée à suivre. Par exemple – deux portes ET génèrent un signal sur la sortie qui doit activer une seule LED, dans ce cas vous ne pouvez pas connecter les deux sorties de porte et l’anode de la diode. On pourrait se demander pourquoi ? La réponse est simple, imaginez ce qui se passe lorsque l’une des portes passe à 1 tandis que l’autre passe à l’état bas. Du point de vue de la première porte, la sortie de la deuxième porte sera simplement mise à la terre, le courant ne circulera pas à travers la LED, mais à travers la sortie de la deuxième porte, l’endommageant ainsi de manière irréversible.
La solution au problème est d’utiliser une autre, la troisième porte, aux entrées de laquelle nous connectons les sorties des portes AND. Dans ce cas, si nous voulons que chacun des signaux active la LED, une porte OR doit être utilisée. Quelle que soit la sortie de la porte AND qui passe à l’état haut, la porte OU active sa sortie, permettant ainsi au courant de circuler à travers la LED.
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