Резисторно-транзисторная логика
Резисторно-транзисторная логика ( RTL ), иногда также известная как транзисторно-резисторная логика ( TRL ), представляет собой класс цифровых схем, построенных с использованием резисторов в качестве входной сети и транзисторов с биполярным переходом (BJT) в качестве переключающих устройств. RTL — это самый ранний класс транзисторных цифровых логических схем; на смену ей пришли диодно-транзисторная логика (DTL) и транзисторно-транзисторная логика (TTL).
Схемы RTL сначала были построены на дискретных компонентах , но в 1961 году они стали первым семейством цифровой логики , выпускаемым в виде монолитной интегральной схемы . Интегральные схемы RTL использовались в управляющем компьютере Apollo , разработка которого началась в 1961 году и который совершил первый полет в 1966 году. [1]
Выполнение
[ редактировать ]РТЛ-инвертор
[ редактировать ]Биполярный транзисторный переключатель — это простейший вентиль RTL ( инвертор или вентиль НЕ), реализующий логическое отрицание . [2] Он состоит из каскада с общим эмиттером и базовым резистором, включенным между базой и источником входного напряжения. Роль базового резистора заключается в расширении очень маленького диапазона входного напряжения транзистора (около 0,7 В) до уровня логической «1» (около 3,5 В) путем преобразования входного напряжения в ток. Его сопротивление определяется компромиссом: оно выбирается достаточно низким, чтобы насытить транзистор, и достаточно высоким, чтобы получить высокое входное сопротивление. Роль коллекторного резистора заключается в преобразовании тока коллектора в напряжение; его сопротивление выбирается достаточно высоким, чтобы насытить транзистор, и достаточно низким, чтобы получить низкое выходное сопротивление (большое разветвление ).
Однотранзисторный вентиль RTL NOR
[ редактировать ]
При использовании двух или более базовых резисторов (R 3 и R 4 ) вместо одного инвертор становится двухвходовым вентилем RTL NOR (см. рисунок справа). Логическая операция ИЛИ выполняется последовательным применением двух арифметических операций сложения и сравнения (цепь входных резисторов действует как параллельный сумматор напряжений с одинаково взвешенными входами, а следующий за ним транзисторный каскад с общим эмиттером - как компаратор напряжения с порогом около 0,7 В). . Эквивалентное сопротивление всех резисторов, подключенных к логической «1», и эквивалентное сопротивление всех резисторов, подключенных к логическому «0», образуют две ветви составного делителя напряжения, управляющего транзистором. Сопротивления базы и количество входов выбраны (ограничены) так, чтобы только одной логической «1» было достаточно для создания напряжения база-эмиттер, превышающего пороговое и, как следствие, насыщения транзистора. Если все входные напряжения низкие (логический «0»), транзистор отключается. Понижающий резистор R 1 смещает транзистор до соответствующего порога включения-выключения. Выход инвертируется, поскольку напряжение коллектор-эмиттер транзистора Q 1 принимается как выход и имеет высокий уровень, когда входы низкие. Таким образом, аналоговая резистивная цепь и аналоговый транзисторный каскад выполняют логическую функцию ИЛИ. [3]
Мультитранзисторный вентиль RTL NOR
[ редактировать ]
Ограничения однотранзисторного вентиля RTL NOR преодолеваются за счет реализации многотранзисторного RTL. Он состоит из набора параллельно соединенных транзисторных ключей, управляемых логическими входами (см. рисунок справа). В такой конфигурации входы полностью разделены и количество входов ограничено лишь небольшим током утечки запирающих транзисторов на выходе логической «1». Эта же идея позже была использована для построения вентилей DCTL , ECL , некоторых TTL (7450, 7460), NMOS и CMOS .
Транзисторное смещение
[ редактировать ]Чтобы обеспечить стабильность и предсказуемость выходного сигнала биполярных транзисторов, их базовые входы (V b или напряжение на базовой клемме) смещены.
Преимущества
[ редактировать ]Основное преимущество технологии RTL заключалось в том, что в ней использовалось минимальное количество транзисторов. В схемах, использующих дискретные компоненты, до появления интегральных схем транзисторы были самым дорогим компонентом в производстве. Раннее производство логики ИС (например, компания Fairchild в 1961 году) на короткое время использовало тот же подход, но быстро перешло к схемам с более высокими характеристиками, таким как диодно-транзисторная логика , а затем транзисторно-транзисторная логика (начиная с 1963 года в Sylvania Electric Products ), поскольку диоды и Транзисторы были не дороже резисторов в микросхемах. [5]
Ограничения
[ редактировать ]Недостатком РТЛ является большая рассеиваемая мощность при включении транзистора за счет тока, протекающего в резисторах коллектора и базы. Это требует подачи большего тока и отвода тепла от цепей RTL. Напротив, схемы ТТЛ с выходным каскадом « тотем-полюс » минимизируют оба этих требования.
Еще одним ограничением RTL является ограниченное количество входов : 3 входа являются пределом для многих схем, прежде чем он полностью потеряет полезную помехозащищенность. [ нужна ссылка ] Имеет низкий запас по шуму . Ланкастер говорит, что вентили NOR RTL интегральной схемы (которые имеют один транзистор на вход) могут быть сконструированы с «любым разумным количеством» логических входов, и приводит пример вентиля NOR с 8 входами. [6]
Стандартная интегральная схема RTL NOR- вентиль может управлять тремя другими подобными вентилями. В качестве альтернативы, его выходной мощности достаточно для управления двумя стандартными «буферами» RTL интегральной схемы, каждый из которых может управлять до 25 другими стандартными вентилями RTL NOR. [6]
Ускорение RTL
[ редактировать ]Различные компании применили следующие методы ускорения дискретных RTL.
Скорость переключения транзисторов неуклонно возрастала со времени первых транзисторных компьютеров до настоящего времени. В Руководстве по транзисторам GE (7-е изд., стр. 181 или 3-е изд., стр. 97 или промежуточные издания) рекомендуется набирать скорость за счет использования высокочастотных транзисторов, конденсаторов или диода между базой и коллектором ( параллельная отрицательная обратная связь ). чтобы предотвратить насыщение. [7]
Размещение конденсатора параллельно каждому входному резистору уменьшает время, необходимое каскаду возбуждения для смещения в прямом направлении перехода база-эмиттер ведомого каскада. Инженеры и техники используют «RCTL» (резисторно-конденсаторно-транзисторную логику) для обозначения вентилей, оснащенных «ускоряющими конденсаторами». лаборатории Линкольна Схемы компьютера TX-0 включали в себя некоторые RCTL. [8] Однако методы с использованием конденсаторов непригодны для интегральных схем. [ нужна ссылка ]
Использование высокого напряжения питания коллектора и ограничения диода уменьшило время зарядки емкости коллектора и проводки. Такая схема требовала диодной фиксации коллектора на уровне проектной логики. Этот метод также был применен к дискретной DTL ( диодно-транзисторной логике ). [9]
Другой метод, который был знаком в логических схемах дискретных устройств, использовал диод и резистор, германиевый и кремниевый диод или три диода в схеме отрицательной обратной связи. Эти диодные схемы, известные как различные зажимы Бейкера, снижали напряжение, прикладываемое к базе, когда коллектор приближался к насыщению. Поскольку транзистор входил в насыщение менее глубоко, в нем накапливалось меньше носителей заряда. Следовательно, для очистки накопленного заряда во время выключения транзистора требовалось меньше времени. [7] Низковольтный диод, предназначенный для предотвращения насыщения транзистора, был применен в семействах интегральной логики с использованием диодов Шоттки , как в Шоттки TTL .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «2. Компьютеры на борту космического корабля «Аполлон» §2.5 Компьютер управления «Аполлоном»: аппаратное обеспечение» . Компьютеры в космических полетах: опыт НАСА . Отдел истории НАСА. 1987.
- ^ Резисторно-транзисторная логика, заархивированная 2 октября 2018 г. на Wayback Machine, объясняет основные элементы RTL и дает некоторые полезные расчеты.
- ^ ИБМ (1960). Схемы транзисторных компонентов (PDF) . Руководство по эксплуатации для заказчика. ИБМ. Форма 223-6889 . Проверено 4 января 2010 г.
Логическая функция выполняется сетью входных резисторов, а функция инвертирования выполняется конфигурацией транзистора с общим эмиттером...
- ^ Схема компьютера управления Apollo , Dwg. № 2005011 .
- ^ Дэвид Л. Мортон-младший и Джозеф Габриэль (2007). Электроника: история жизни технологии . Джу Пресс. ISBN 978-0-8018-8773-4 .
- ^ Перейти обратно: а б Дональд Э. Ланкастер (1969). Кулинарная книга РТЛ . Компания Bobbs-Merrill Co. (или Говард В. Сэмс). ISBN 0-672-20715-Х .
- ^ Перейти обратно: а б Клири, Дж. Ф., изд. (1958–1964). Руководство по транзисторам GE (3–7-е изд.). General Electric, Департамент полупроводниковой продукции, Сиракьюс, Нью-Йорк.
- ^ Фадиман, младший (1956). Компьютерные схемы TX0 (PDF) . Лаборатория Линкольна Массачусетского технологического института . Проверено 9 сентября 2011 г.
- ^ Справочник по цифровой логике. Модули с перекидной микросхемой . Корпорация цифрового оборудования. 1967. 1750·3/67 . Проверено 8 марта 2008 г. - через Bitsavers.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Поваренная книга RTL ; 1-е изд; Дон Ланкастер ; Сэмс; 240 страниц; 1969 год; ISBN 978-0672207150 . (3ed архив)