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二极管晶体管逻辑

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基本双输入DTL NAND门的示意图。 R3、R4 和 V− 将输入 DL 级的正输出电压移至地电压以下（以在低输入电压时切断晶体管）。

二极管-晶体管逻辑（DTL）是一类数字电路，是晶体管-晶体管逻辑的直接祖先。之所以这样称呼，是因为逻辑门控功能AND和OR由二极管逻辑执行，而逻辑反转 （NOT）和放大（提供信号恢复）由晶体管执行（与电阻器-晶体管逻辑（RTL）和晶体管-晶体管逻辑（TTL）相对）。

实现

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题图所示的DTL与非门（NAND）电路由三级组成：输入二极管逻辑级（D1、D2和R1）、中间电平转换级（R3和R4）和输出共发射极放大器级（Q1和R2）。如果输入A和B都为高电平（逻辑1；接近V+），则二极管D1和D2反向偏置。电阻器R1和R3将提供足够的电流来打开Q1（驱动Q1进入饱和状态）并提供R4所需的电流。 Q1基极上会有一个小的正电压（VBE ，锗约为0.3 V，硅约为0.6 V）。晶体管导通，集电极和R2有电流流过，分压效应将拉低输出Q（逻辑0；VCE(sat) ，通常小于1伏）。如果其中一个或两个输入都为低，则至少一个输入二极管导通并将阳极电压拉至小于约2伏的值。然后，R3和R4充当分压器，使Q1的基极电压为负，从而使Q1截止。Q1的集电极电流基本为零，因此R2将拉高输出电压Q（逻辑1；接近 V+）。

带有晶体管反相器的早期二极管逻辑

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IBM 608卡上使用的NAND和 NOR DTL逻辑电路。 PNP和NPN晶体管的符号是IBM使用的版本。

1952年以及之前， IBM都是通过修改现成的锗二极管来制造晶体管，之后IBM在波基普西建立了自己的合金结晶体管制造厂。 [1] [2] 20世纪50年代中期的世界上第一台全晶体管计算机IBM 608使用了二极管逻辑。

1962年D-17B制导计算机的设计者尽可能地使用二极管电阻逻辑，以尽量减少所用晶体管的数量。

分立元件

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IBM 1401（于1959年发布[3] ）使用了与第一张图所示的电路类似的DTL电路。IBM 将这种逻辑电路称为“互补晶体管二极管逻辑”（CTDL）。[4]CTDL通过交替使用基于不同电源电压的NPN和PNP开关来避免电平转换（R3和R4）。基于NPN的电路使用+6 V和-6 V电源，晶体管在接近-6 V时切换工作状态，基于PNP的电路使用0 V和-12 V电源，晶体管在接近0 V时切换工作状态。因此，例如由PNP开关驱动的NPN开关阈值电压将为-6 V，在0 V至-12 V范围的中间。类似地，阈值0 V的PNP开关由6 V至-6 V范围的电源电压驱动。1401的基本开关采用了锗晶体管和二极管。[5]1401还增加了一个与R2串联的电感。[5][6]物理包装采用IBM标准模块系统。

集成元件

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在DTL门的集成电路版本中，R3被两个串联的电平转换二极管取代。R4的底部也连接到地，为二极管提供偏置电流，并为晶体管基极提供放电路径。由此产生的集成电路采用单电源电压运行。 [7] [8]

1962年，Signetics推出了SE100系列，这是第一款大容量DTL芯片。1964年，仙童半导体发布了930系列DTμL微逻辑系列，该系列具有更好的抗噪能力、更小的芯片和更低的成本。它是商业上最成功的DTL系列，被其他IC制造商效仿。 [9]

速度提升

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仅由分立晶体管、二极管和电阻器制成的数字时钟，没有集成电路。该时钟使用550个开关二极管和196个晶体管来将60 Hz电力线频率分频降至每秒一个脉冲，并提供小时、分钟和秒的显示。

DTL传播延迟相对较大。当晶体管因所有输入都为高而进入饱和状态时，电荷会存储在基极区域。当它脱离饱和状态（一个输入变低）时，该电荷会被移除，并将主导传播时间。

加速DTL的一种方法是在R3上添加一个小的“加速”电容器。电容器通过去除存储的基极电荷来帮助关闭晶体管；电容器还通过增加初始基极驱动来帮助打开晶体管。 [10]

加速DTL的另一种方法是避免开关晶体管饱和。这可以用Baker夹具来完成。 Baker夹具以Richard H. 的名字命名。贝克在其1956年的技术报告《最大效率开关电路》中对此进行了描述。 [11]

1964年， James R. Biard申请了肖特基晶体管的专利。 [12]在他的专利中，肖特基二极管通过最小化集电极-基极晶体管结上的正向偏置来防止晶体管饱和，从而将少数载流子注入减少到可以忽略不计的量。该二极管还可以集成在同一芯片上，布局紧凑，无少数载流子电荷存储，并且比传统的结型二极管速度更快。他的专利还展示了如何将肖特基晶体管用于DTL电路，并以低成本提高其他饱和逻辑设计（如肖特基-TTL）的开关速度。

接口考虑

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与早期电阻器晶体管逻辑相比，其主要优势是增加了扇入。此外，为了增加扇出度，可以使用额外的晶体管和二极管。 [13]

参见

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  • 二极管逻辑
  • 高阈值逻辑
  • 诺比特

参考文献

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  1. ^ Emerson W. Pugh, Lyle R. Johnson, John H. Palmer, IBM's 360 and Early 370 Systems, pp. 33-34, MIT Press, 1991 ISBN 0262161230.
  2. ^ Bo Lojek, History of Semiconductors, pp. 60-61, Springer Science & Business Media, 2007 ISBN 3540342583.
  3. ^ IBM 1401 Computer (1959). Lexikon's History of Computing. [11 June 2025]. （原始内容存档于3 July 2017）. 
  4. ^ IBM 1960
  5. ^ 5.0 5.1 IBM 1401 logic 互联网档案馆的存檔，存档日期2010-08-09. Retrieved on 2009-06-28.
  6. ^ IBM. Customer Engineering Manual of Instruction: Transistor Component Circuits (PDF). IBM. 1960 [2012-04-24]. Form 223-688 (5M-11R-156). 
  7. ^ Delham, Louis A., Design and Application of Transistor Switching Circuits, Texas Instruments Electronics Series, McGraw-Hill, 1968 , page 188 states resistor is replaced with one or more diodes; figure 10-43 shows 2 diodes; cites to Schulz 1962.
  8. ^ Schulz, D., A High Speed Diode Coupled NOR Gate, Solid State Design, August 1962, 1 (8): 52, OCLC 11579670 
  9. ^ Monolithic integrated circuit history; Andrew Wylie.. [2018-07-19]. （原始内容存档于2017-07-19）. 
  10. ^ Roehr, William D. (编), High-Speed Switching Transistor Handbook, Motorola, Inc., 1963 . Page 32 states: "As the input signal changes, the charge on the capacitor is forced into the base of the transistor. This charge can effectively cancel the transistor stored charge, resulting in a reduction of storage time. This method is very effective if the output impedance of the preceding stage is low so that the peak reverse current into the transistor is high."
  11. ^ Baker, R. H., Maximum Efficiency Switching Circuits, MIT Lincoln Laboratory Report TR-110, 1956, （原始内容存档于September 25, 2015） 
  12. ^ US 3463975,Biard, James R.,「Unitary Semiconductor High Speed Switching Device Utilizing a Barrier Diode」,发表于December 31, 1964,发行于August 26, 1969 
  13. ^ Millman, Jacob. Microelectronics Digital and Analog Circuits and Systems. New York: McGraw-Hill Book Company. 1979: 141–143. ISBN 0-07-042327-X. 

拓展阅读

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外部链接

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