Введение

Диодотранзисторная логика (DTL) — это класс цифровых схем, являющийся прямым предшественником транзистор-транзисторной логики. Она получила своё название благодаря тому, что логические функции И (AND) и ИЛИ (OR) реализуются диодной логикой, а логическое инвертирование (НЕ, NOT) и усиление (обеспечивающее восстановление сигнала) — транзистором (в отличие от логики на диодах и транзисторах, RTL, и логики на транзисторах-транзисторах, TTL).

Реализация

На первом рисунке показана схема DTL, состоящая из трех каскадов: каскад входной диодной логики (D1, D2 и R1), каскад промежуточного сдвига уровня (R3 и R4) и каскад выходного усилителя с общим эмиттером (Q1 и R2). Если оба входа A и B находятся в высоком состоянии (логическая 1; близко к V+), то диоды D1 и D2 оказываются в обратном смещении. Резисторы R1 и R3 тогда обеспечивают достаточный ток для включения Q1 (переводя Q1 в состояние насыщения), а также обеспечивают ток, необходимый для R4. На базе Q1 появляется небольшое положительное напряжение (VBE, около 0,3 В для германия и 0,6 В для кремния). Ток коллектора включенного транзистора затем подтягивает выход Q к низкому уровню (логический 0; VCE(sat), обычно менее 1 вольта). Если один или оба входа находятся в низком состоянии, то хотя бы один из входных диодов открывается и снижает напряжение на анодах до значения менее 2 вольт. R3 и R4 тогда работают как делитель напряжения, который делает напряжение на базе Q1 отрицательным и, следовательно, выключает Q1. Ток коллектора Q1 становится практически нулевым, поэтому R2 подтягивает выходное напряжение Q к высокому уровню (логическая 1; близко к V+).

Ранняя диодная логика с транзисторным инвертором

До 1952 года компания IBM производила транзисторы, модифицируя серийные германиевые диоды, после чего открыла собственное производство транзисторов с сплавным переходом в Покипси. В середине 1950-х годов диодная логика была использована в IBM 608, первом в мире полностью транзисторном компьютере. На одной плате размещались четыре двухвходовые схемы, три трехвходовые или одна восьмивходовая. Все входные и выходные сигналы были совместимы. Эти схемы могли надежно переключать импульсы длительностью всего в одну микросекунду. При разработке бортового компьютера D 17B в 1962 году инженеры максимально использовали диодно-резисторную логику, чтобы минимизировать количество применяемых транзисторов.

Дискретное

IBM 1401 (представленный в 1959 году) использовал DTL-схемы, аналогичные схеме, показанной на первом рисунке. IBM называл эту логику "комплементированной транзисторно-диодной логикой" (CTDL). CTDL избегал использования каскада сдвига уровня (R3 и R4) за счет чередования логических элементов на основе NPN и PNP, работающих от разных напряжений питания. Схемы на основе NPN использовали напряжения +6 В и -6 В, при этом транзистор переключался при напряжении около 6 В. Схемы на основе PNP использовали напряжения 0 В и +12 В, при этом транзистор переключался при напряжении около 0 В. Таким образом, например, логический элемент NPN, управляемый логическим элементом PNP, видел пороговое напряжение 6 В в середине диапазона от 0 до 12 В. Аналогично, логический элемент PNP, переключающийся при 0 В, управлялся диапазоном от -6 В до +6 В. В 1401 в базовых логических элементах использовались германиевые транзисторы и диоды. Физическая компоновка использовала стандартную модульную систему IBM.

Интегрированный

В интегральной схеме шлюза DTL резистор R3 заменяется двумя диодами, сдвигающими уровень, соединенными последовательно. Также нижний конец резистора R4 подключается к земле для обеспечения тока смещения для диодов и пути разряда для базы транзистора. Полученная интегральная схема работает от одного напряжения питания. В 1962 году компания Signetics представила семейство серии SE100 – первые массово выпускаемые чипы DTL. В 1964 году Fairchild выпустила микрологическое семейство DTμL серии 930, которое обладало лучшей помехоустойчивостью, меньшим размером кристалла и более низкой стоимостью. Это было наиболее коммерчески успешным семейством DTL, которое копировали другие производители интегральных схем.

Улучшение скорости

Задержка распространения сигнала в схемах DTL относительно велика. Когда транзистор переходит в состояние насыщения при высоком уровне на всех входах, в базовом регионе накапливается заряд. При выходе из насыщения (когда один из входов становится низким) этот заряд необходимо удалить, и именно он определяет время распространения. Один из способов ускорить работу DTL – добавить небольшой "ускоряющий" конденсатор параллельно резистору R3. Этот конденсатор помогает выключить транзистор, удаляя накопленный заряд базы, а также способствует его включению, увеличивая начальный ток базы. Другой способ ускорить DTL – избегать насыщения ключевого транзистора. Этого можно достичь с помощью зажима Бейкера. Зажим Бейкера назван в честь Ричарда Х. Бейкера, который описал его в своем техническом отчете 1956 года "Схемы переключения максимальной эффективности". В 1964 году Джеймс Р. Биард запатентовал транзистор Шоттки. В его патенте диод Шоттки предотвращал насыщение транзистора, минимизируя прямое смещение на коллекторно-базовом переходе, тем самым снижая инжекцию носителей заряда до пренебрежимо малого уровня. Этот диод также можно было интегрировать на той же кристалле, он имел компактную компоновку, не накапливал заряд носителей заряда и был быстрее обычного диода p-n перехода. В патенте также показано, как транзистор Шоттки можно использовать в схемах DTL и повысить скорость переключения других логических схем, работающих в режиме насыщения, таких как Schottky TTL, с минимальными затратами.

Рассмотрение взаимодействия

Основным преимуществом по сравнению с более ранней резистор-транзисторной логикой является повышенная способность к разветвлению (или увеличенное количество нагрузок на выход). Кроме того, для увеличения числа вееров (или повышения выходной способности) могут быть использованы дополнительный транзистор и диод.