Резистивно-транзисторная логика

Резистивно-транзисторная логика (РТЛ, англ. Resistor-Transistor Logic, RTL) — это класс цифровых логических схем, построенных на биполярных транзисторах и резисторах, который был одним из первых типов интегральных логических элементов, получивших практическое применение. В схемах РТЛ транзисторы выполняют функцию переключения (инвертирования), а резисторы задают режимы работы и обеспечивают логические функции «ИЛИ» и «И» на входе. Исторически РТЛ предшествовала более совершенным технологиям, таким как диодно-транзисторная логика (ДТЛ) и транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ), и сыграла ключевую роль в развитии ранних интегральных схем и вычислительной техники.

История

Разработка и первые применения

Резистивно-транзисторная логика была разработана в конце 1950-х — начале 1960-х годов, когда полупроводниковая промышленность осваивала производство первых интегральных схем. В 1961 году компания Fairchild Semiconductor выпустила микросхему серии µL900, выполненную по технологии РТЛ, которая стала одной из первых коммерчески доступных логических интегральных схем. В 1962 году компания Texas Instruments представила серию SN51/SN52, также основанную на РТЛ. Эти микросхемы использовались в бортовом компьютере космического корабля «Аполлон» (AGC — Apollo Guidance Computer), что стало одним из самых известных применений РТЛ. Компьютер AGC, разработанный в Лаборатории приборостроения Массачусетского технологического института (MIT), содержал около 5600 логических вентилей РТЛ, собранных из дискретных компонентов и интегральных схем.

Распространение и вытеснение

В середине 1960-х годов РТЛ была широко распространена в промышленной электронике, вычислительной технике и системах управления. Однако она имела ряд недостатков: низкую помехоустойчивость, высокое энергопотребление и ограниченное быстродействие. С появлением более совершенных технологий — диодно-транзисторной логики (ДТЛ, 1962) и транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ, 1964) — РТЛ быстро уступила им место. К концу 1960-х годов РТЛ практически вышла из употребления в новых разработках, но продолжала использоваться в некоторых старых системах до 1970-х годов.

Принцип работы

Базовый логический элемент

Основой РТЛ является инвертор (логический элемент «НЕ»), который строится на одном биполярном транзисторе n-p-n-типа и одном резисторе в цепи коллектора. Входной сигнал подаётся на базу транзистора через резистор (или резисторы). Если на входе низкий уровень напряжения (логический 0), транзистор закрыт, и на выходе через коллекторный резистор устанавливается высокий уровень (логическая 1). Если на входе высокий уровень (логическая 1), транзистор насыщается, и на выходе падает напряжение до низкого уровня (логический 0).

Логические функции «ИЛИ» и «И»

Для реализации многовходовых логических функций в РТЛ используется резистивная логика на входе. Например, элемент «ИЛИ-НЕ» (NOR) реализуется подключением нескольких входных резисторов к базе одного транзистора. Если хотя бы на одном входе присутствует высокий уровень (логическая 1), транзистор открывается, и на выходе устанавливается низкий уровень (логический 0). Если все входы находятся в низком уровне, транзистор закрыт, и выход высокий. Таким образом, схема выполняет функцию «ИЛИ-НЕ».

Логическая функция «И-НЕ» (NAND) в РТЛ реализуется последовательным включением транзисторов (каскадированием) или использованием дополнительных резисторов. Однако из-за ограниченного быстродействия и помехоустойчивости такие схемы были менее распространены, чем «ИЛИ-НЕ».

Уровни напряжений

В типичной схеме РТЛ используются напряжения питания 3—5 В. Логический 0 (низкий уровень) обычно составляет 0,2—0,4 В (напряжение насыщения транзистора), а логическая 1 (высокий уровень) — около 3—4 В (напряжение питания минус падение на коллекторном резисторе). Помехоустойчивость РТЛ невысока — запас помехоустойчивости обычно составляет 0,5—1 В.

Характеристики

Быстродействие

Время задержки распространения сигнала в типовом элементе РТЛ составляет 50—200 нс (наносекунд), что соответствует тактовой частоте 5—20 МГц. Это значительно медленнее, чем у ТТЛ (10—30 нс) или современных КМОП-схем (единицы наносекунд). Низкое быстродействие обусловлено насыщением транзисторов (что требует времени на рассасывание неосновных носителей) и большими паразитными ёмкостями.

Энергопотребление

РТЛ потребляет значительную мощность, особенно в статическом режиме. В состоянии логической 1 (транзистор закрыт) ток потребления мал, но в состоянии логического 0 (транзистор насыщен) через коллекторный резистор и транзистор протекает значительный ток — до нескольких миллиампер на элемент. Для типовой микросхемы с 4—6 элементами общее энергопотребление может составлять 100—200 мВт, что высоко для интегральных схем того времени.

Помехоустойчивость

Помехоустойчивость РТЛ низкая из-за малого запаса по напряжению и отсутствия гистерезиса (как в триггерах Шмитта). Это делает схемы чувствительными к наводкам и перекрёстным помехам, особенно при больших длинах соединительных линий.

Входные и выходные характеристики

Входное сопротивление РТЛ относительно низкое (единицы килоом), что ограничивает нагрузочную способность по входу. Выходное сопротивление также невысокое (сотни ом — единицы килоом), что позволяет подключать к одному выходу несколько входов (коэффициент разветвления по выходу обычно 4—8). Однако из-за низкой помехоустойчивости на практике старались не превышать 4—5 нагрузок.

Классификация и разновидности

Дискретная РТЛ

Ранние системы РТЛ строились из дискретных компонентов — отдельных транзисторов и резисторов, смонтированных на печатных платах. Такие схемы применялись в первых компьютерах (например, IBM 1620 в некоторых модификациях) и промышленных контроллерах.

Интегральная РТЛ

С появлением технологии интегральных схем РТЛ была реализована в виде монолитных микросхем, содержащих несколько логических элементов на одном кристалле кремния. Наиболее известные серии: µL900 (Fairchild), SN51/SN52 (Texas Instruments), а также советские серии 133 (аналог SN51) и 155 (более поздняя, но также использовавшая элементы РТЛ). В СССР микросхемы РТЛ выпускались в рамках серий 133, 134, 136 и 137.

РТЛ с улучшенными характеристиками

Для повышения быстродействия и помехоустойчивости разрабатывались модификации РТЛ:

• РТЛ с диодной фиксацией — параллельно коллекторному резистору включался диод, ограничивающий выбросы напряжения при переключении.
• РТЛ с эмиттерным повторителем — на выходе добавлялся эмиттерный повторитель для увеличения нагрузочной способности и снижения выходного сопротивления.
• РТЛ с обратной связью — использовались положительные обратные связи для ускорения переключения (аналогично триггеру Шмитта).

Применение

Вычислительная техника

РТЛ нашла применение в первых интегральных компьютерах:

• Apollo Guidance Computer (AGC) — бортовой компьютер космического корабля «Аполлон», использовавший микросхемы РТЛ серии µL900. AGC обеспечивал навигацию, управление и контроль систем корабля во время полётов на Луну (1968—1972).
• IBM System/360 Model 30 — одна из моделей семейства IBM System/360, выпущенная в 1964 году, использовала гибридные схемы на основе РТЛ для некоторых логических функций.
• Советские ЭВМ — например, «Мир-1», «Мир-2» и «Наири» применяли элементы РТЛ в своих процессорах.

Промышленная автоматика

РТЛ использовалась в программируемых логических контроллерах (ПЛК) и системах управления технологическими процессами в 1960-х годах. Например, контроллеры Modicon 084 (1968) содержали элементы РТЛ.

Военная и аэрокосмическая техника

Благодаря устойчивости к радиации (по сравнению с более поздними КМОП-схемами) РТЛ применялась в некоторых военных и космических системах, где требовалась надёжность при воздействии ионизирующего излучения. Однако с развитием радиационно-стойких технологий (например, КМОП с кремний-на-изоляторе) РТЛ утратила это преимущество.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Простота конструкции — минимальное количество компонентов (один транзистор и несколько резисторов на элемент).
• Низкая стоимость — в эпоху начала интеграции РТЛ была дешевле в производстве, чем ДТЛ или ТТЛ.
• Радиационная стойкость — биполярные транзисторы менее чувствительны к радиации, чем ранние МОП-транзисторы.

Недостатки

• Низкое быстродействие — из-за насыщения транзисторов и больших паразитных ёмкостей.
• Высокое энергопотребление — особенно в статическом режиме.
• Низкая помехоустойчивость — малый запас по напряжению и отсутствие гистерезиса.
• Ограниченная нагрузочная способность — низкое входное сопротивление ограничивает количество подключаемых элементов.

Интересные факты

• Микросхемы РТЛ серии µL900, использовавшиеся в AGC, были изготовлены по планарной технологии, разработанной Жаном Эрни (Jean Hoerni) в 1959 году. Эта технология стала основой для производства большинства интегральных схем в 1960-х годах.
• В компьютере AGC было около 5600 логических вентилей РТЛ, но из-за низкой интеграции (по 2—4 элемента на микросхему) общее количество микросхем составляло около 4100 штук.
• В СССР серия микросхем 133 (РТЛ) выпускалась с 1965 года и использовалась в ЭВМ «Минск-32», «ЕС ЭВМ» и других системах. Она была аналогом американской серии SN51.
• Несмотря на устаревание, РТЛ иногда используется в учебных целях для демонстрации основ цифровой логики и работы биполярных транзисторов в ключевом режиме.

Источники

• Horowitz, P., Hill, W. The Art of Electronics. — 3rd ed. — Cambridge University Press, 2015. — Chapter 8: Digital Logic Families.
• Mead, C., Conway, L. Introduction to VLSI Systems. — Addison-Wesley, 1980. — Chapter 1: The Evolution of Logic Families.
• Hall, D. Digital Circuits and Systems. — McGraw-Hill, 1989. — Chapter 4: Resistor-Transistor Logic.
• Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники. — М.: Советское радио, 1977. — Глава 5: Логические элементы на биполярных транзисторах.
• Apollo Guidance Computer: Hardware Description // MIT Instrumentation Laboratory, 1965. — R-393.
• Texas Instruments. SN51/SN52 Series Resistor-Transistor Logic Integrated Circuits. — Data Sheet, 1962.