Schaltplan eines einfachen DTL-NAND-Gatters mit zwei Eingängen. R3, R4 und V− verschieben die positive Ausgangsspannung der Eingangs-DL-Stufe unter Masse (um den Transistor bei niedriger Eingangsspannung zu sperren).

Dioden-Transistor-Logik ( DTL ) ist eine Klasse digitaler Schaltungen und der direkte Vorfahre der Transistor-Transistor-Logik . Sie wird so genannt, weil die logischen Gatterfunktionen UND und ODER von Diodenlogik realisiert werden , während logische Invertierung (NICHT) und Verstärkung (zur Wiederherstellung des Signals) von einem Transistor ausgeführt werden (im Gegensatz zu Widerstands-Transistor-Logik (RTL) und Transistor-Transistor-Logik (TTL)).

Implementierungen

Die im ersten Bild dargestellte DTL-Schaltung besteht aus drei Stufen: einer Eingangsdiodenlogikstufe ( D1, D2 und R1), einer Zwischenpegelumsetzerstufe (R3 und R4) und einer Ausgangsverstärkerstufe in Emitterschaltung (Q1 und R2). Sind die Eingänge A und B beide auf hohem Pegel (Logik 1; nahe V+), sind die Dioden D1 und D2 in Sperrrichtung vorgespannt. Die Widerstände R1 und R3 liefern dann genügend Strom, um Q1 einzuschalten (Q1 in die Sättigung zu treiben) und den für R4 benötigten Strom bereitzustellen. An der Basis von Q1 liegt eine kleine positive Spannung an (V <sub>BE</sub> , ca. 0,3 V für Germanium und 0,6 V für Silizium). Der Kollektorstrom des eingeschalteten Transistors zieht den Ausgang Q auf niedrigen Pegel (Logik 0; V<sub> CE(sat)</sub> , üblicherweise unter 1 Volt). Sind einer oder beide Eingänge auf niedrigem Pegel, leitet mindestens eine der Eingangsdioden und senkt die Spannung an den Anoden auf unter ca. 2 Volt. R3 und R4 fungieren dann als Spannungsteiler, der die Basisspannung von Q1 negativ macht und Q1 dadurch abschaltet. Der Kollektorstrom von Q1 ist dann praktisch null, sodass R2 die Ausgangsspannung Q auf High-Pegel (Logik 1; nahe V+) zieht.

Frühe Diodenlogik mit Transistorinverter

NAND- und NOR-DTL-Logikschaltungen, wie sie auf IBM 608-Karten verwendet wurden. Die PNP- und NPN-Transistorsymbole entsprechen denen von IBM. [ 1 ]

Bis 1952 fertigte IBM Transistoren durch Modifizierung handelsüblicher Germaniumdioden . Danach betrieb das Unternehmen in Poughkeepsie eine eigene Fabrik zur Herstellung von Legierungsübergangstransistoren . [ 2 ] [ 3 ] Mitte der 1950er-Jahre kam die Diodenlogik im IBM 608 zum Einsatz , dem weltweit ersten vollständig transistorisierten Computer. Eine einzelne Karte enthielt vier Zweiwegeschaltungen, drei Dreiwegeschaltungen oder eine Achtwegeschaltung. Alle Eingangs- und Ausgangssignale waren kompatibel. Die Schaltungen konnten Impulse von nur einer Mikrosekunde Dauer zuverlässig schalten.

Die Entwickler des D-17B- Bordcomputers von 1962 verwendeten weitestgehend Dioden-Widerstands-Logik, um die Anzahl der benötigten Transistoren zu minimieren.

Diskret

Der IBM 1401 (angekündigt 1959 [ 4 ] ) verwendete DTL-Schaltungen, ähnlich der in Abbildung 1 dargestellten. [ 5 ] IBM nannte diese Logik „komplementierte Transistor-Dioden-Logik“ (CTDL). [ 6 ] CTDL umging die Pegelumsetzerstufe (R3 und R4) durch abwechselnde Ansteuerung von NPN- und PNP-basierten Gattern mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen. NPN-basierte Schaltungen arbeiteten mit +6 V und -6 V, wobei der Transistor bei etwa -6 V schaltete. PNP-basierte Schaltungen arbeiteten mit 0 V und -12 V, wobei der Transistor bei etwa 0 V schaltete. So lag beispielsweise die Schwellenspannung eines von einem PNP-Gatter angesteuerten NPN-Gatters bei -6 V, also mitten im Bereich von 0 V bis -12 V. Analog verhielt es sich mit dem PNP-Gatter, das bei 0 V schaltete und mit einer Spannung zwischen 6 V und -6 V angesteuert wurde. Der 1401 verwendete Germaniumtransistoren und -dioden in seinen Basisgattern. [ 7 ] Beim 1401 wurde außerdem eine Induktivität in Reihe mit R2 hinzugefügt. [ 7 ] [ 8 ] Für die physische Gehäusekonstruktion wurde das IBM Standard Modular System verwendet .

Integriert

In einer integrierten Schaltungsversion des DTL-Gates wird R3 durch zwei in Reihe geschaltete Pegelschiebedioden ersetzt. Der untere Anschluss von R4 ist mit Masse verbunden, um den Dioden einen Ruhestrom zuzuführen und einen Entladepfad für die Transistorbasis bereitzustellen. Die resultierende integrierte Schaltung benötigt eine einzige Versorgungsspannung. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]

1962 brachte Signetics die SE100-Serie auf den Markt, das erste Produkt des Unternehmens und die erste DTL-Chipfamilie in Großserie. 1964 veröffentlichte Fairchild die DTμL-Mikrochipfamilie der 930-Serie, die sich durch eine bessere Störfestigkeit, kleinere Chipgröße und geringere Kosten auszeichnete. Sie war die kommerziell erfolgreichste DTL-Familie und wurde von anderen IC-Herstellern kopiert. [ 12 ] [ 13 ]

Geschwindigkeitsverbesserung

Eine Digitaluhr, die ausschließlich aus diskreten Transistoren, Dioden und Widerständen besteht – ohne integrierte Schaltkreise. Diese Uhr nutzt 550 Schaltdioden und 196 Transistoren, um die Netzfrequenz von 60 Hz in einen Impuls pro Sekunde zu teilen und Stunden, Minuten und Sekunden anzuzeigen.

Die Laufzeitverzögerung der DTL-Ladung ist relativ groß. Wenn der Transistor durch das Erreichen des High-Pegels an allen Eingängen in die Sättigung gerät, wird Ladung im Basisbereich gespeichert. Beim Verlassen der Sättigung (wenn ein Eingang auf Low geht) muss diese Ladung abgeführt werden und bestimmt maßgeblich die Laufzeit.

Eine Möglichkeit zur Beschleunigung der DTL besteht darin, einen kleinen „Beschleunigungskondensator“ parallel zu R3 hinzuzufügen. Der Kondensator hilft, den Transistor abzuschalten, indem er die gespeicherte Basisladung entfernt; außerdem hilft er, den Transistor einzuschalten, indem er den anfänglichen Basisansteuerstrom erhöht. [ 14 ]

Eine weitere Möglichkeit zur Beschleunigung der DTL besteht darin, die Sättigung des Schalttransistors zu vermeiden. Dies kann mit einer Baker-Klemme erreicht werden . Die Baker-Klemme ist nach Richard H. Baker benannt, der sie in seinem technischen Bericht „Maximum Efficiency Switching Circuits“ von 1956 beschrieb. [ 15 ]

1964 meldete James R. Biard ein Patent für den Schottky-Transistor an . [ 16 ] In seinem Patent verhinderte die Schottky-Diode die Sättigung des Transistors, indem sie die Vorwärtsspannung am Kollektor-Basis-Übergang minimierte und so die Minoritätsträgerinjektion auf ein vernachlässigbares Maß reduzierte. Die Diode ließ sich zudem auf demselben Chip integrieren, wies eine kompakte Bauweise auf, speicherte keine Minoritätsträger und war schneller als eine herkömmliche Sperrschichtdiode. Sein Patent zeigte auch, wie der Schottky-Transistor in DTL-Schaltungen eingesetzt werden und die Schaltgeschwindigkeit anderer gesättigter Logikschaltungen, wie z. B. Schottky-TTL, kostengünstig verbessern konnte.

Schnittstellenüberlegungen

Ein wesentlicher Vorteil gegenüber der früheren Widerstands-Transistor-Logik ist der erhöhte Fan-In . Um den Fan-Out zu erhöhen, können zusätzlich ein weiterer Transistor und eine Diode verwendet werden. [ 17 ]

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ IBM Kundenhandbuch für Transistorkomponentenschaltungen , S. 20 , IBM, 1960.
  2. ^ Emerson W. Pugh, Lyle R. Johnson, John H. Palmer, IBMs 360- und frühe 370-Systeme , S. 33–34, MIT Press, 1991 ISBN 0262161230Die
  3. ^ Bo Lojek, Geschichte der Halbleiter , S. 60–61, Springer Science & Business Media, 2007 ISBN 3540342583Die
  4. ^ „IBM 1401 Computer (1959)“ . Lexikons Geschichte des Rechnens . Archiviert vom Original am 3. Juli 2017. Abgerufen am 11. Juni 2025 .
  5. ^ Möglicherweise verwendete die IBM 1401 auch eine Strommoduslogik.
  6. ^ IBM 1960 , S. 6
  7. ^ a b IBM 1401 Logik Archiviert am 09.08.2010 in der Wayback Machine Abgerufen am 28.06.2009.
  8. ^ IBM (1960). Kundenspezifisches Ingenieurhandbuch: Transistor-Komponentenschaltungen (PDF) . IBM. Formular 223-688 (5M-11R-156) . Abgerufen am 24.04.2012 .
  9. ^ Delham, Louis A. (1968), Entwurf und Anwendung von Transistorschaltkreisen , Texas Instruments Electronics Series, McGraw-HillAuf Seite 188 heißt es, der Widerstand werde durch eine oder mehrere Dioden ersetzt; Abbildung 10-43 zeigt 2 Dioden; zitiert nach Schulz 1962.
  10. ^ Schulz, D. (August 1962), „Ein schnelles diodengekoppeltes NOR-Gatter“, Solid State Design , 1 (8): 52, OCLC 11579670 
  11. ^ ASIC-Welt: „Dioden-Transistor-Logik“
  12. ^ 1963: Einführung von Standard Logic IC-Familien; Computer History Museum.
  13. ^ „Geschichte monolithischer integrierter Schaltungen; Andrew Wylie“ . Archiviert vom Original am 19.07.2017 . Abgerufen am 19.07.2018 .
  14. ^ Roehr, William D., Hrsg. (1963), High-Speed ​​Switching Transistor Handbook , Motorola, Inc.Auf Seite 32 heißt es: „Ändert sich das Eingangssignal, wird die Ladung des Kondensators in die Basis des Transistors gedrückt. Diese Ladung kann die im Transistor gespeicherte Ladung effektiv kompensieren, was zu einer Verkürzung der Speicherzeit führt. Dieses Verfahren ist besonders effektiv, wenn die Ausgangsimpedanz der vorhergehenden Stufe niedrig ist, sodass der maximale Rückstrom in den Transistor hoch ist.“
  15. ^ Baker, RH (1956), „Maximum Efficiency Switching Circuits“ , MIT Lincoln Laboratory Report TR-110 , archiviert vom Original am 25. September 2015
  16. ^ US 3463975 , Biard, James R. , „Unitary Semiconductor High Speed ​​Switching Device Utilizing a Barrier Diode“, veröffentlicht am 31. Dezember 1964, erteilt am 26. August 1969 
  17. ^ Millman, Jacob (1979). Mikroelektronik: Digitale und analoge Schaltungen und Systeme . New York: McGraw-Hill Book Company. S.  141–143 . ISBN 0-07-042327-XDie

Weiterführende Literatur