Sortie à trois états

Une sortie de circuit logique s'analyse comme un générateur de tension avec une impédance de sortie. En courant continu, l'impédance est identique à une résistance, et la loi d'Ohm s'applique. La tension en volts aux bornes de la résistance est égale au produit de sa valeur en ohms par l'intensité qui la traverse en ampères. Par conséquent, la tension effective à la sortie est

U_s = U - Z × I.

Pour que la tension sur la ligne U_s reste dans les limites correspondant à l'état désiré, 0 ou 1, alors que de nombreuses entrées reliées à la ligne absorbent du courant, il faut que l'impédance Z soit faible.

C'est d'autant plus nécessaire qu'à haute fréquence, comme quand il y a de nombreuses commutations, les capacités parallèles aux entrées et l'inductance de la ligne ne sont pas négligeables, ce qui conduit à abaisser les impédances d'entrée, pour améliorer le temps de montée et éviter les résonances. Abaisser les impédances d'entrée conduit à abaisser aussi celles de sortie. Les sorties à basse impédance dites push-pull ou totem-pole comportent un semiconducteur commutateur vers le niveau haut et un autre vers le niveau bas, dont l'un des deux est bloqué, tandis que l'autre est saturé.

Dans l'état haute impédance, les deux semiconducteurs sont bloqués. La sortie ne peut plus ni absorber, ni fournir du courant ; elle subsiste comme une charge capacitive de l'ordre d'une dizaine de picofarads.

La table de vérité décrit l'influence des entrées sur l'état de la sortie. B désigne le niveau logique bas (par exemple, entre 0 et 1,4 V) et H désigne le niveau logique haut (par exemple, entre 2,4 et 5 V) ; chacun de ces niveaux s'associe, par convention, soit à un 0 ou faux, soit à un 1 ou vrai. Z désigne l'état haute impédance (le courant n'entre ni ne sort).

symbole et équivalent électrique d'une sortie 3 états.

Si l'entrée de commande est à l'état haut la sortie est égale à l'entrée de donnée, sinon la sortie est en état haute impédance.

L'entrée de commande peut être soit directe comme ci-dessus, et son niveau haut commande le transfert de l'entrée de donnée sur la sortie, soit inversée, et ce niveau correspond à la sortie en haute impédance[7].

Dans une transmission parallèle, la commande est commune à toutes les sorties d'un circuit ; elle est souvent désignée comme « chip enable ».

L'objet de la sortie à trois états (Hi-Z) est de supprimer l'influence d'un circuit sur ceux qui lui sont reliés. Si plus d'un appareil est connecté électriquement, mettre une sortie dans l'état Hi-Z évite les conflits. Si deux sorties ou plus à basse impédance se trouvent reliées à la même ligne, celles qui sont à l'état haut vont fournir autant de courant qu'elles peuvent pour élever la tension, tandis que celles qui sont à l'état bas vont en absorber autant que possible pour abaisser la tension. Le résultat est indéterminé, et l'énergie dissipée peut avoir des conséquences destructrices.

Avec des sorties collecteur ouvert, la ligne est rappelée à un niveau, généralement le niveau haut, par une résistance. La sortie active amène la ligne au niveau bas, s'il y a lieu. Il ne peut y avoir de conflit, et plusieurs sorties peuvent être reliées à la ligne. Mais la résistance, qui doit être assez importante pour éviter l'échauffement des sorties au niveau bas, limite le courant disponible pour ramener la ligne au niveau haut, et forme, avec les capacités de toutes les entrées et sorties bloquées en parallèle, une constante de temps qui limite la vitesse de commutation, et donc le débit numérique[8].

Les sorties à trois états ont l'avantage d'une basse impédance dans leurs états logiques, permettant des commutations rapides, tout en offrant la possibilité de brancher plusieurs dispositifs sur la même ligne, au prix d'une complexité supplémentaire : la nécessité d'une ligne de commande.