Резисторно-транзисторная логика ( RTL ), иногда также известная как транзисторно-резисторная логика ( TRL ), представляет собой класс цифровых схем, построенных с использованием резисторов в качестве входной цепи и биполярных транзисторов (BJT) в качестве коммутационных устройств. RTL является самым ранним классом транзисторных цифровых логических схем; за ним последовали диодно-транзисторная логика (DTL) и транзисторно-транзисторная логика (TTL).
Схемы RTL сначала были построены с использованием дискретных компонентов , но в 1961 году они стали первым семейством цифровой логики , которое было произведено в виде монолитной интегральной схемы . Интегральные схемы RTL использовались в бортовом компьютере Apollo , разработка которого началась в 1961 году, а первый полет состоялся в 1966 году. [1]
Биполярный транзисторный ключ — это простейший RTL-вентиль ( инвертор или НЕ-вентиль), реализующий логическое отрицание . [2] Он состоит из каскада с общим эмиттером с базовым резистором, подключенным между базой и источником входного напряжения. Роль базового резистора заключается в расширении очень малого диапазона входного напряжения транзистора (около 0,7 В) до уровня логической «1» (около 3,5 В) путем преобразования входного напряжения в ток. Его сопротивление устанавливается путем компромисса: 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 (высокий разветвитель ).
При наличии двух или более базовых резисторов (R 3 и R 4 ) вместо одного инвертор становится двухвходовым RTL NOR-вентилем (см. рисунок справа). Логическая операция ИЛИ выполняется путем последовательного применения двух арифметических операций сложения и сравнения (входная резисторная сеть действует как параллельный сумматор напряжения с одинаково взвешенными входами, а следующий каскад транзистора 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 ножки составного делителя напряжения, управляющего транзистором. Базовые сопротивления и количество входов выбираются (ограничиваются) так, чтобы только одной логической «1» было достаточно для создания напряжения база-эмиттер, превышающего пороговое значение, и, как следствие, насыщения транзистора. Если все входные напряжения низкие (логический «0»), транзистор отключается. Подтягивающий резистор R 1 смещает транзистор к соответствующему порогу включения-выключения. Выход инвертируется, поскольку напряжение коллектор-эмиттер транзистора Q 1 принимается за выход, и оно высокое, когда входы низкие. Таким образом, аналоговая резистивная сеть и аналоговый транзисторный каскад выполняют логическую функцию NOR. [3]
Ограничения однотранзисторного вентиля RTL NOR преодолеваются многотранзисторной реализацией RTL. Она состоит из набора параллельно соединенных транзисторных ключей, управляемых логическими входами (см. рисунок справа). В этой конфигурации входы полностью разделены, а количество входов ограничено только малым током утечки запираемых транзисторов на выходе логической «1». Та же идея была позже использована для построения DCTL , ECL , некоторых вентилей TTL (7450, 7460), NMOS и CMOS .
Для обеспечения стабильности и предсказуемого выходного сигнала биполярных транзисторов их базовые входы (Vb или напряжение на выводах базы) смещены.
Основным преимуществом технологии RTL было то, что она использовала минимальное количество транзисторов. В схемах с дискретными компонентами, до появления интегральных схем, транзисторы были самыми дорогими компонентами для производства. Раннее производство логики ИС (например, Fairchild в 1961 году) использовало тот же подход в течение короткого времени, но быстро перешло на более производительные схемы, такие 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 ИС. [5]
Недостатком RTL является высокая рассеиваемая мощность при включении транзистора, из-за тока, протекающего через резисторы коллектора и базы. Это требует подачи большего тока и отвода тепла от схем RTL. Напротив, схемы TTL с выходным каскадом " тотем-полюс " сводят оба эти требования к минимуму.
Другим ограничением RTL является его ограниченное количество входов : 3 входа являются пределом для многих схемных проектов, прежде чем он полностью теряет полезную помехоустойчивость. [ необходима цитата ] Он имеет низкий запас по шуму . Ланкастер говорит, что интегральные схемы RTL NOR-вентили (которые имеют один транзистор на вход) могут быть построены с «любым разумным числом» логических входов, и приводит пример 8-входового NOR-вентиля. [6]
Стандартный вентиль RTL NOR на интегральной схеме может управлять до 3 других подобных вентилей. В качестве альтернативы, он имеет достаточно выходного сигнала для управления до 2 стандартных «буферов» RTL на интегральной схеме, каждый из которых может управлять до 25 другими стандартными вентилями RTL NOR. [6]
Различные компании применили следующие методы ускорения дискретного RTL.
Скорость переключения транзисторов неуклонно росла с первых транзисторных компьютеров до настоящего времени. GE Transistor Manual (7-е изд., стр. 181, или 3-е изд., стр. 97 или промежуточные издания) рекомендует увеличивать скорость, используя более высокочастотные транзисторы, или конденсаторы, или диод от базы к коллектору ( параллельная отрицательная обратная связь ) для предотвращения насыщения. [7]
Размещение конденсатора параллельно каждому входному резистору уменьшает время, необходимое для каскада управления для прямого смещения перехода база-эмиттер каскада управления. Инженеры и техники используют "RCTL" (резисторно-конденсаторно-транзисторная логика) для обозначения вентилей, оснащенных "ускоряющими конденсаторами". Схемы компьютера Lincoln Laboratory TX-0 включали некоторые RCTL. [8] Однако методы, включающие конденсаторы, были непригодны для интегральных схем. [ требуется цитата ]
Использование высокого напряжения питания коллектора и диодного зажима уменьшило время зарядки коллектор-база и емкости проводки. Такая компоновка требовала диодного зажима коллектора до уровня логики проекта. Этот метод также применялся к дискретным DTL ( диодно-транзисторная логика ). [9]
Другой метод, который был знаком в логических схемах дискретных устройств, использовал диод и резистор, германиевый и кремниевый диод или три диода в отрицательной обратной связи. Эти диодные сети, известные как различные зажимы Бейкера, уменьшали напряжение, приложенное к базе, когда коллектор приближался к насыщению. Поскольку транзистор не так глубоко входил в насыщение, транзистор накапливал меньше сохраненных носителей заряда. Поэтому требовалось меньше времени для очистки сохраненного заряда во время выключения транзистора. [7] Низковольтный диод, установленный для предотвращения насыщения транзистора, был применен в семействах интегральной логики с использованием диодов Шоттки , как в ТТЛ Шоттки .
Логическая функция выполняется входной резисторной сетью, а инвертирующая функция выполняется конфигурацией транзистора с общим эмиттером...