Диодно-транзисторная логика

Диодно-транзисторная логика (ДТЛ) — это класс цифровых логических схем, построенных на комбинации полупроводниковых диодов и биполярных транзисторов. ДТЛ относится к семейству резистивно-транзисторной логики (РТЛ) и исторически предшествовала более совершенной транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ). Основной принцип работы ДТЛ заключается в реализации логических функций «И» и «ИЛИ» с помощью диодной матрицы, а усиление и инверсию сигнала — с помощью транзисторного ключа.

История

Разработка диодно-транзисторной логики началась в конце 1950-х годов, когда полупроводниковая промышленность искала способы создания надёжных и экономичных цифровых схем. Первые интегральные схемы (ИС) на основе ДТЛ были выпущены компанией Fairchild Semiconductor в 1961 году (серия Micrologic). В 1962 году компания Texas Instruments представила серию SN7400, которая, однако, быстро уступила место более скоростной ТТЛ-серии SN7400 (1964 год). ДТЛ активно применялась в ранних компьютерах, например, в бортовой ЭВМ Apollo Guidance Computer (AGC) для лунной программы США, где использовались микросхемы серии RCA CD4000 (КМОП), но в более ранних версиях — ДТЛ-элементы. В СССР ДТЛ-схемы выпускались в виде серий интегральных микросхем 155 (аналог SN7400), 530 (аналог SN74S) и 133 (аналог SN74LS), хотя последние уже относились к ТТЛ. Однако в 1960-е годы ДТЛ была широко распространена в советской радиоэлектронной промышленности, например, в серии «Логика-1» (1965 год) и более поздних сериях 134, 135, 136, 137.

Принцип работы

Логический элемент «И-НЕ» на ДТЛ

Базовым элементом ДТЛ является логический вентиль «И-НЕ» (NAND). Он состоит из трёх основных частей:

1. Входная диодная матрица — реализует логическую операцию «И» (AND). На каждый вход (обычно от 2 до 4) подключён диод, анод которого соединён с входом, а катод — с общей точкой (узел A). Если хотя бы на одном входе низкий уровень (логический 0, напряжение около 0 В), то соответствующий диод открывается, и узел A оказывается зашунтирован на землю через малое сопротивление открытого диода. Если на всех входах высокий уровень (логическая 1, напряжение +5 В), то все диоды закрыты, и узел A через резистор R1 подтягивается к напряжению питания.

1. Усилительный каскад на транзисторе — выполняет инверсию сигнала. Узел A соединён с базой транзистора (обычно n-p-n) через резистор R2. Когда на узле A низкий уровень (все входы — 1, диоды закрыты), база транзистора получает ток через R2, транзистор насыщается, и на его коллекторе устанавливается низкий уровень (логический 0). Когда на узле A высокий уровень (хотя бы один вход — 0, диод открыт), база транзистора оказывается зашунтирована на землю через диод и входной источник, транзистор закрыт, и на коллекторе — высокий уровень (логическая 1). Таким образом, реализуется функция «И-НЕ»: выход равен 0 только тогда, когда все входы равны 1.

1. Выходной каскад — часто включает дополнительный резистор R3, ограничивающий ток коллектора, и, в некоторых вариантах, защитный диод от выбросов напряжения.

Логический элемент «ИЛИ-НЕ» на ДТЛ

Для реализации функции «ИЛИ-НЕ» (NOR) диоды подключаются параллельно: аноды всех входных диодов соединены с общей точкой (узел B), а катоды — через резистор R1 к питанию. Если хотя бы на одном входе высокий уровень, соответствующий диод открывается, и узел B оказывается под напряжением высокого уровня. Транзисторный ключ инвертирует этот сигнал: высокий уровень на базе — транзистор насыщен, выход — низкий; низкий уровень на базе — транзистор закрыт, выход — высокий.

Характеристики

Достоинства

• Простота конструкции — минимальное количество компонентов (диоды, транзисторы, резисторы) позволяет легко реализовать базовые логические функции.
• Низкая стоимость — в эпоху дискретных компонентов ДТЛ была дешевле ТТЛ из-за меньшего числа транзисторов.
• Высокая помехоустойчивость — за счёт большого запаса по напряжению (типичный логический перепад 3–4 В при питании +5 В).
• Возможность работы при пониженном напряжении питания — некоторые схемы ДТЛ работают при напряжении от 3 В до 15 В.

Недостатки

• Низкое быстродействие — задержка распространения сигнала составляет 30–50 нс на вентиль (для сравнения, у ТТЛ — 10–15 нс, у КМОП — 5–10 нс). Это связано с временем переключения диодов и транзистора, а также с паразитными ёмкостями.
• Высокое энергопотребление — в статическом режиме через резисторы R1 и R2 постоянно протекает ток, даже когда транзистор закрыт. Типичное потребление — 10–20 мВт на вентиль.
• Ограниченная нагрузочная способность — выходной каскад может управлять не более чем 3–5 входами ДТЛ (коэффициент разветвления по выходу).
• Чувствительность к температуре — характеристики диодов и транзисторов сильно зависят от температуры, что может приводить к сбоям при перегреве.

Применение

ДТЛ нашла применение в следующих областях:

• Ранние вычислительные машины — например, в ЭВМ IBM 1401 (1959 год) использовались дискретные ДТЛ-элементы, а в бортовом компьютере Apollo Guidance Computer (1960-е годы) — микросхемы ДТЛ серии Fairchild 930.
• Промышленная автоматика — для управления станками, конвейерами и другими устройствами, где не требовалось высокое быстродействие.
• Военная и аэрокосмическая техника — благодаря высокой помехоустойчивости и надёжности при экстремальных температурах.
• Образовательные и любительские проекты — простота сборки на макетных платах позволяет изучать основы цифровой логики.
• Радиоэлектронная аппаратура — в СССР ДТЛ-микросхемы серий 134, 135, 136 применялись в блоках управления, измерительных приборах и системах связи.

Сравнение с другими технологиями

Интересные факты

• В 1961 году компания Fairchild Semiconductor выпустила первую коммерческую микросхему ДТЛ — тип 930, содержащий четыре логических элемента «И-НЕ» с двумя входами каждый.
• В бортовом компьютере Apollo Guidance Computer (AGC) использовалось около 5600 микросхем ДТЛ серии Fairchild 930, что обеспечивало вычислительную мощность около 0,043 MIPS.
• В СССР серия микросхем 134 (аналог американской серии 7400) выпускалась с 1965 года и применялась в ЭВМ «Минск-32» и «Электроника-100».
• ДТЛ-схемы могут быть реализованы как на биполярных, так и на полевых транзисторах (МОП-ДТЛ), но последние не получили распространения из-за низкого быстродействия.

Источники

• Микросхемы и их применение. — М.: Радио и связь, 1985.
• Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. — М.: Мир, 1982.
• Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — М.: Мир, 1993.
• Энциклопедия электронных компонентов. — М.: ДМК Пресс, 2005.
• Статья «Diode–transistor logic» в англоязычной Википедии (версия от 2023 года).