Circuit intégré 4060

Le circuit intégré 4060 fait partie de la série des circuits intégrés 4000 utilisant la technique CMOS.

Circuit intégré CMOS 4060 (DIP16)

Die d'un 4060 (Texas Instruments CD4060BE)

Il est composé d'un compteur binaire asynchrone à 14 étages et d'un circuit permettant la réalisation d'un oscillateur RC ou d'un oscillateur à quartz destiné à cadencer le compteur.

Description

Diagramme

Diagramme logique du circuit CMOS 4060

Détail d'une bascule du compteur CMOS 4060

Chacun des 14 étages du compteur est constitué d'une bascule T (toggle) commandée par une paire de signaux d'entrée complémentaires ϕ et non ϕ. Les sorties Q et non Q de la bascule changent d'état à chaque front descendant sur l'entrée ϕ (correspondant à un front montant sur l'entrée non ϕ). Un état bas sur l'entrée non R force la remise à zéro de la bascule (sortie Q à l'état bas et sortie non Q à l'état haut).

Toutes les sorties du compteur ne sont pas accessibles (Q1 à Q3 et Q11 ne figurent pas parmi les broches de sortie).

Le circuit qui précède le compteur expose trois broches qui sont destinées, soit à être connectées aux composants externes de l'oscillateur, soit à recevoir (sur l'entrée ϕ_I) un signal issu d'un autre circuit.

Le signal logique sortant par la broche ϕ_O de l'oscillateur est appliqué à l'entrée du compteur au travers d'un trigger de Schmitt dont l'hystéréris garantit une immunité au bruit lors des transitions lentes du signal.

Un état haut appliqué sur l'entrée RESET force la mise à zéro générale du circuit.

Entrées

L'entrée ϕ_I (Clock Input), également nommée RS par certains constructeurs, reçoit le signal analogique dont on souhaite compter les fronts descendants (relativement aux niveaux logiques). Lorsqu'on met en œuvre un oscillateur RC, on y injecte le signal issu de la cellule RC au travers d'une résistance de limitation du courant. Lorsqu'on met en œuvre un oscillateur Pierce à quartz, on y connecte la borne de sortie du quartz. Lorsqu'on n'utilise pas l'oscillateur intégré, on y connecte la source du signal extérieur.

L'entrée RESET, également nommée MR (Master Reset) ou R par certains constructeurs, sert à réinitiliser l'ensemble du circuit. Tant qu'on y applique un niveau logique haut, l'oscillateur est maintenu à l'arrêt et les sorties du compteur sont forcées à zéro (la sortie ϕ_O et les sorties du compteur sont portées au niveau bas et la sortie non ϕ_O est portée au niveau haut).

Chacune de ces entrées présente un circuit de protection contre les surtensions et les décharges électrostatiques (ESD) constitué de diodes et d'une résistance.

Sorties

Les sorties Q4 à Q10 et Q12 à Q14, également nommées O3 à O9 et O11 à O13 par certains constructeurs, présentent les états logiques des bits b3 à b9 et b11 à b13 du compteur binaire (correspondant respectivement aux poids 2³ à 2⁹ et 2¹¹ à 2¹³).

La sortie ϕ_O (Clock Output), également nommée C_TC ou C_EXT par certains constructeurs, produit le niveau logique correspondant à la tension appliquée sur l'entrée ϕ_I, ou bien un niveau logique bas si l'entrée RESET est portée à l'état haut. Lorsqu'on met en œuvre un oscillateur RC, on y connecte le condensateur de la cellule RC.

La sortie non ϕ_O, également nommée R_TC ou R_EXT par certains constructeurs, produit le niveau logique complémentaire de la sortie ϕ_O. Lorsqu'on met en œuvre un oscillateur RC, on y connecte la résistance de la cellule RC. Lorsqu'on met en œuvre un oscillateur Pierce à quartz, le signal issu de cette sortie est envoyé à la borne d'entrée du quartz au travers d'une résistance de limitation du courant.

Table de vérité

Entrées		Sorties
ϕI	RESET	non ϕO	ϕO	Q14 à Q12, Q10 à Q4
x	1	1	0	000, 0000000
0	0	1	0	Inchangées
↑	0	↓	↑	Inchangées
1	0	0	1	Inchangées
↓	0	↑	↓	Incrémentation du compteur

Notes :
0 = niveau logique bas 1 = niveau logique haut x = sans importance ↑ = front montant (transition bas → haut) ↓ = front descendant (transition haut → bas)

Brochage

Brochage du circuit logique CMOS 4060 (d'après la documentation du CD4060B d'Intersil et du HEF4011B de Philips). Bien que la fonction réalisée et le brochage restent identiques, le nom des broches présenté dans la documentation peut varier d'un constructeur à l'autre. En particulier, la numérotation des sorties peut faire référence au nombre d'étages du compteur (1 à 14) utilisés pour produire les signaux, ou bien au numéro du bit (0 à 13) dans le nombre binaire représentant l'état du compteur.

Applications

Montage de l'oscillateur

Schéma de mise en œuvre d'un oscillateur RC avec le circuit intégré CMOS 4060 (d'après Texas Instruments)

Schéma de mise en œuvre d'un oscillateur Pierce à quartz avec le circuit intégré CMOS 4060 (d'après Philips Semiconductors)

Chronogramme : détail du démarrage de l'oscillateur RC du circuit CMOS 4060.

La tension U_X en sortie de la cellule RC varie dans une plage allant de -V_DD/2 à 2V_DD environ, de sorte qu'elle est clampée au niveau de l'entrée ϕ_I par les diodes du réseau de protection de cette dernière. Cela justifie l'ajout de la résistance de limitation R_S.
Le premier front descendant sur la sortie ϕ_O survient environ 1,4.R_XC_X après l'apparition du niveau bas sur l'entrée RESET, puis la période d'oscillation s'établit à environ 2,2.R_XC_X.

Les durées exactes dépendent notamment de la tension du seuil de basculement de l'entrée ϕ_I, de la tension d'alimentation V_DD, de la valeur de la résistance R_S, des résistances internes des sorties, des capacités parasites du montage, etc. .

En haut, chronogramme du démarrage de l'oscillateur RC du circuit CMOS 4060 jusqu'au premier front montant sur la sortie Q4.

En bas, chronogramme du cycle complet du compteur.

Le chiffrage indique le nombre de fronts descendants sur la sortie ϕ_O depuis l'apparition du niveau bas sur l'entrée RESET.

Utilisations

Le circuit 4060 est notamment utilisé :

• pour produire des signaux carrés périodiques à basse ou très basse fréquence ;
• pour réaliser des temporisations de longue durée.

En effet, les 14 étages du compteur permettent d'obtenir des signaux dont la fréquence est jusqu'à 16 384 fois (2¹⁴ fois) plus faible que la fréquence de l'oscillateur, ou des impulsions dont la durée est jusqu'à 8 192 fois (2^14-1 fois) plus longue que la période de ce dernier. Cette particularité permet de repousser de plusieurs ordres de grandeur les limites imposées par les contraintes techniques dans la réalisation de bases de temps de longue durée. (À ce titre, dans le domaine des très basses fréquences, le circuit 4060 peut avantageusement remplacer des multivibrateurs astables ou monostables classiques tels que les circuits de type 555. Le 4060 peut produire des périodes ou des délais de l'ordre de plusieurs heures à plusieurs jours quand, dans les mêmes conditions de précision et de répétabilité, un 555 atteint difficilement la minute.)

Par exemple, la mise en œuvre du 4060 avec un oscillateur basé sur un quartz horloger de 32 768 Hz permet de générer un signal carré de fréquence 2 Hz très précise (<±40 ppm sans ajustement), disponible sur la sortie Q14.

Exemple d'application du circuit CMOS 4060 : monostable non redéclenchable avec remise à zéro prioritaire (schéma, formules et chronogramme).
Dans tous les cas, un état bas sur l'entrée non R force la réinitialisation du monostable, portant la sortie non Q à l'état haut.
Un état bas sur l'entrée non S démarre la temporisation, portant la sortie non Q à l'état bas. La sortie non Q retourne à l'état haut à la fin de la temporisation. (Il est nécessaire que l'entrée non S retourne à l'état haut avant la fin de la temporisation si l'on ne souhaite pas redémarrer cette dernière.)
La durée T de la temporisation est réglée à l'aide de la résistance variable R_X. Pour les très longues durées, ce réglage peut être réalisé en mesurant la fréquence ou la période du signal produit sur la sortie Q4 du compteur.

Voir aussi

Articles connexes

• Circuit intégré
• Liste des circuits intégrés de la série 4000
• Algèbre de Boole