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다이오드-트랜지스터 논리

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목차

1. 개요

다이오드-트랜지스터 논리(DTL)는 다이오드와 트랜지스터를 조합하여 논리 연산을 수행하는 디지털 회로 기술이다. DTL은 저항-트랜지스터 논리(RTL)보다 팬인(입력선의 수)을 증가시켰지만, 전파 지연이 크다는 단점이 있었다. IBM 1401은 DTL의 초기 구현 방식 중 하나로, CTDL(Complemented Transistor Diode Logic) 방식을 사용하여 음의 바이어스 전압 문제를 해결했다. 집적 회로 형태로 구현되면서 DTL은 1960년대 초반 상업적으로 널리 사용되었으며, 이후 TTL(트랜지스터-트랜지스터 논리)로 발전하는 과정에서 중요한 역할을 했다.

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다이오드-트랜지스터 논리
개요
유형디지털 논리 회로
기능논리 연산 수행
구성 요소다이오드, 트랜지스터, 저항
역사
개발1950년대 후반
등장 배경초기 트랜지스터의 높은 비용 및 낮은 성능
대체트랜지스터-트랜지스터 논리 (TTL)
작동 원리
입력다이오드를 통해 입력 신호 결합
논리 연산다이오드 네트워크를 통해 수행 (AND, OR 등)
출력트랜지스터를 통해 반전 및 증폭
장단점
장점간단한 구조
낮은 비용
단점낮은 팬-아웃
느린 속도
높은 전력 소비
응용
초기 컴퓨터제한적으로 사용
산업 제어일부 사용
관련 기술
관련 기술RTL (저항-트랜지스터 논리)
DTL (다이오드-트랜지스터 논리)
TTL (트랜지스터-트랜지스터 논리)
ECL (에미터 결합 논리)
MOSFET

2. 동작

DTL 회로는 입력 다이오드 논리 단, 중간 레벨 시프팅 단, 그리고 출력 공통 이미터 증폭기 단의 세 단계로 구성된다. 입력 신호에 따라 다이오드가 논리 연산을 수행하고, 그 결과에 따라 트랜지스터가 스위칭되어 출력 신호를 생성한다.

초기 DTL 회로는 간단한 회로 구성으로 인해 입력이 0볼트일지라도 베이스에 0.7볼트가 인가되어 트랜지스터가 불안정하게 동작하거나 유효하지 않은 동작을 할 수 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 직렬로 연결된 두 개의 다이오드를 사용하여 전압을 낮추고, 입력이 논리적으로 0일 때 베이스 전류가 많이 흐르는 것을 방지했다.[22] IBM 1401은 이와 유사한 회로를 사용하면서도, 다른 전압원으로 작동시켜 베이스 전압 문제를 해결하였다. IBM은 이를 CTDL(complemented transistor diode logic)로 불렀다.[24]

집적 회로 버전의 DTL 게이트에서는 R3을 직렬로 연결된 두 개의 레벨 시프팅 다이오드로 대체한다. 또한 R4의 하단을 접지에 연결하여 다이오드에 바이어스 전류를 제공하고 트랜지스터 베이스의 방전 경로를 제공하며, 단일 전원 전압으로 작동하도록 개선되었다.[19]

2. 1. 기본 동작 원리

DTL 회로는 입력 다이오드 논리 단(D1, D2 및 R1), 중간 레벨 시프팅 단(R3 및 R4), 그리고 출력 공통 이미터 증폭기 단(Q1 및 R2)의 세 단계로 구성된다.[19]

두 입력 A와 B가 모두 높음(논리 1; V+ 근처)이면 다이오드 D1과 D2는 역방향 바이어스된다. 그러면 저항 R1과 R3은 Q1을 켜고(Q1을 포화 상태로 구동) R4에 필요한 전류도 공급하기에 충분한 전류를 공급한다. Q1의 베이스에는 작은 양의 전압(VBE, 게르마늄의 경우 약 0.3V, 실리콘의 경우 0.6V)이 가해진다. 켜진 트랜지스터의 컬렉터 전류는 출력을 낮게 당긴다(논리 0; VCE(sat), 일반적으로 1볼트 미만).[19]

하나 또는 두 입력 중 하나라도 낮으면 최소한 하나의 입력 다이오드가 전도하여 애노드의 전압을 약 2볼트 미만으로 당긴다. 그러면 R3과 R4는 Q1의 베이스 전압을 음수로 만들고 결과적으로 Q1을 끄는 전압 분배기 역할을 한다. Q1의 컬렉터 전류는 본질적으로 0이 되므로 R2는 출력 전압 Q를 높게 당긴다(논리 1; V+ 근처).[19]

DTL 논리 회로는 D1, D2, R1으로 구성된 논리 연산을 실현하는 전반부의 Diode logic|다이오드 로직영어 부분과 후반부의 트랜지스터에 의한 증폭기 부분으로 구성된다. 이 회로도에 표시된 것처럼, 트랜지스터의 베이스에 음의 바이어스 전압을 가할 필요가 있으며, 이에 의해 불안정하거나 부정확한 동작을 방지한다. 대안으로, 게이트의 팬아웃(후단의 게이트를 구동할 수 있는 능력)을 증대시키기 위해 트랜지스터나 다이오드를 추가하여 회로를 구성하는 경우도 있다.[18] IBM 1401은 DTL 회로를 사용했지만, 위에 언급된 베이스의 바이어스 전압 문제를 해결하기 위해 다이오드를 추가하는 대신, 서로 다른 전원 전압으로 동작하는 NPN과 PNP를 기반으로 하는 게이트를 교대로 배치했다.

2. 2. 초기 구현 방식

초기 DTL 회로는 트랜지스터의 베이스에 음의 바이어스 전압을 필요로 했다. 이는 트랜지스터가 불안정하게 동작하거나 유효하지 않은 동작을 하는 것을 막기 위한 것이었으나, 회로의 복잡성을 증가시키는 요인이 되었다.[18] 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 방법들이 사용되었다.

예를 들어, 1959년에 발표된 IBM 1401은 다이오드-트랜지스터 논리와 유사한 회로를 사용했지만, NPN과 PNP 트랜지스터를 교대로 사용하고 서로 다른 전원 전압을 사용하여 음의 바이어스 전압 문제를 해결하였다. IBM은 이 방식을 "보완 트랜지스터 다이오드 논리"(CTDL)라고 불렀다.[6] CTDL은 NPN 기반 게이트는 +6V 및 -6V를, PNP 기반 게이트는 0V 및 -12V를 사용하여 레벨 시프팅 스테이지를 피했다. 이를 통해 트랜지스터는 각각 -6V와 0V에 가깝게 스위칭 되었다. 1401은 기본 게이트에 게르마늄 트랜지스터와 다이오드를 사용했으며, R2와 직렬로 인덕터를 추가하기도 했다.[7]



1950년대 중반, 다이오드 논리는 세계 최초의 완전 트랜지스터 컴퓨터인 IBM 608에 사용되었다. 이 회로는 1마이크로초만큼 좁은 펄스를 안정적으로 전환할 수 있었다.

2. 3. 집적 회로 구현

집적 회로 버전의 DTL 게이트에서 R3은 직렬로 연결된 두 개의 레벨 시프팅 다이오드로 대체된다. 또한 R4의 하단은 접지에 연결되어 다이오드에 바이어스 전류를 제공하고 트랜지스터 베이스의 방전 경로를 제공한다. 결과적인 집적 회로는 단일 전원 전압으로 작동한다.[9][10][11]

1962년, 시그네틱스는 최초의 대량 생산 DTL 칩인 SE100 시리즈를 출시했다. 1964년, 페어차일드 반도체는 더 나은 잡음 내성, 더 작은 다이 크기 및 더 낮은 비용을 가진 930 시리즈 DTμL 마이크로로직 제품군을 출시했다. 이 제품군은 상업적으로 가장 성공적인 DTL 제품군이었으며 다른 IC 제조업체에서 복제되었다.[12][13]

3. 성능 개선

DTL은 전파 지연이 비교적 크다는 단점이 있었다. 이는 모든 입력이 높을 때 트랜지스터가 포화 상태가 되면 베이스 영역에 전하가 저장되기 때문이다. 포화 상태에서 벗어날 때(한 입력이 낮아짐) 이 전하를 제거해야 하며, 이는 전파 시간에 큰 영향을 미친다.

개별 트랜지스터, 다이오드 및 저항만으로 제작된 디지털 시계로, 집적 회로는 사용하지 않았다. 이 시계는 550개의 스위칭 다이오드와 196개의 트랜지스터를 사용하여 60Hz 전력선 주파수를 1초에 한 펄스로 분주하고 시, 분, 초를 표시한다.


이러한 문제는 TTL에서 개선되었는데, TTL은 DTL 회로의 다이오드를 다중-이미터 트랜지스터로 변경하였다. 또한, TTL은 집적회로 실장에서 게이트당 필요한 면적을 크게 감소시켰다.

3. 1. 속도 향상 방법

전달 지연을 빠르게 하는 방법은 트랜지스터의 베이스에 음의 전압을 저항과 연결하는 것이다. 이러한 방법은 베이스에서 소수 담체를 제거한다.[14]

DTL의 속도를 높이는 방법은 다음과 같다:

  • R3에 작은 "속도 향상" 커패시터를 추가한다. 이 커패시터는 저장된 베이스 전하를 제거하여 트랜지스터를 끄는 데 도움을 준다. 또한 초기 베이스 구동을 증가시켜 트랜지스터를 켜는 데도 도움을 준다.[14]
  • 베이커 클램프를 사용하여 스위칭 트랜지스터의 포화를 방지한다. 베이커 클램프는 1956년 기술 보고서 "최대 효율 스위칭 회로(Maximum Efficiency Switching Circuits)"에서 이를 설명한 리처드 H. 베이커(Richard H. Baker)의 이름을 따서 명명되었다.[15]
  • 쇼트키 트랜지스터를 사용한다. 1964년, 제임스 R. 비어드(James R. Biard)는 쇼트키 트랜지스터에 대한 특허를 출원했다.[16] 그의 특허에서 쇼트키 다이오드는 콜렉터-베이스 트랜지스터 접합부의 순방향 바이어스를 최소화하여 트랜지스터가 포화되는 것을 방지했다. 따라서 소수 캐리어 주입을 무시할 수 있는 수준으로 줄였다. 이 다이오드는 또한 동일한 다이에 통합될 수 있었고, 콤팩트한 레이아웃을 가졌으며, 소수 캐리어 전하 저장이 없고, 기존 접합 다이오드보다 빨랐다. 그의 특허는 또한 쇼트키 트랜지스터가 DTL 회로에서 어떻게 사용될 수 있으며, 쇼트키-TTL과 같은 다른 포화 논리 설계의 스위칭 속도를 저렴한 비용으로 향상시킬 수 있는지를 보여주었다.


DTL의 또 다른 성능 개선 방법으로, R3을 가로지르도록 콘덴서를 추가하고 R2와 직렬로 코일을 추가하는 방식이 있다. 이 기법은 IBM 1401에서도 사용되었으며, CTDL(보완 트랜지스터 다이오드 로직, complemented transistor diode logic)이라고 불렸다.[20][21]

3. 2. CTDL (Complemented Transistor Diode Logic)

IBM 1401 (1959년 발표)[4]은 다이오드-트랜지스터 논리 회로와 유사한 회로를 사용했지만,[23] 베이스 전압 문제는 위쪽에 교차로 NPN을 추가하고 PNP 베이스 게이트는 다이오드를 추가하는 대신에 다른 전압원으로 작동시켜 해결하였다. IBM은 이를 CTDL(complemented transistor diode logic, 보완 트랜지스터 다이오드 논리)로 호칭하였다.[24]

CTDL은 NPN 및 PNP 기반 게이트가 서로 다른 전원 전압에서 작동하도록 하여 레벨 시프팅을 피했다. NPN 기반 회로는 +6V 및 -6V를 사용하고 트랜지스터는 -6V에 가깝게 스위칭했으며, PNP 기반 회로는 0V 및 -12V를 사용하고 트랜지스터는 0V에 가깝게 스위칭했다. 1401은 기본 게이트에 게르마늄 트랜지스터와 다이오드를 사용했다.[7] 또한 R2와 직렬로 인덕터를 추가했다.[7][8] R3에 콘덴서를 추가하고 R2에 코일을 직렬로 추가하여 성능을 개선했다.[20][21]

4. 한계

RTL에 비해 DTL은 팬인(입력선의 수)은 증가했지만, 전달 지연은 여전히 길었다. 트랜지스터가 모든 입력이 높아 포화 상태가 되면 전하는 베이스 영역에 저장된다. 한 입력이 낮아져 트랜지스터의 포화 상태가 깨질 때, 이 저장되었던 전하가 제거되면서 전달 지연이 발생한다. 트랜지스터 베이스에 음의 전압을 저항과 연결하면 베이스에서 소수 담체를 제거하여 전달 지연을 빠르게 할 수 있다.[1]

이 문제는 DTL 회로의 다이오드를 다중-이미터 트랜지스터로 변경한 TTL에서 개선되었다. 또한, TTL은 집적회로 실장에서 게이트당 필요한 다이 면적을 크게 감소시켰다.[2]

5. 역사적 의의

DTL은 초기 디지털 회로 기술 발전의 중요한 단계를 보여주는 예시이다. IBM 608, IBM 1401, D-17B 유도 컴퓨터 등 초기 컴퓨터 시스템에 사용되었다. DTL은 저항-트랜지스터 논리(RTL)에서 트랜지스터-트랜지스터 논리(TTL)로 발전하는 과정에서 중요한 가교 역할을 수행했다.

1950년대 중반, 다이오드 논리는 세계 최초의 완전 트랜지스터 컴퓨터인 IBM 608에 사용되었다. 하나의 카드에는 4개의 2방향 회로, 3개의 3방향 회로 또는 1개의 8방향 회로가 들어갈 수 있었다. 모든 입력 및 출력 신호는 호환되었다. 이 회로는 1마이크로초만큼 좁은 펄스를 안정적으로 전환할 수 있었다.[1] 1962년 D-17B 유도 컴퓨터 설계자들은 사용된 트랜지스터의 수를 최소화하기 위해 가능한 한 다이오드-저항 논리를 많이 사용했다. IBM 1401은 첫 번째 그림에 표시된 회로와 유사한 DTL 회로를 사용했다.[5] IBM은 이 논리를 "보완 트랜지스터 다이오드 논리"(CTDL)라고 불렀다.[6] 1401은 기본 게이트에 게르마늄 트랜지스터와 다이오드를 사용했다.[7]

저항-트랜지스터 논리보다 주요한 장점은 팬인이 증가했다는 점이다. 또한 팬아웃을 증가시키기 위해 추가적인 트랜지스터와 다이오드를 사용할 수 있었다.[17] 그러나, 전달 지연은 상대적으로 큰 채로 남아있었다. 성능을 개선하는 한 가지 방법으로, 트랜지스터의 베이스와 음의 전압 사이를 저항기로 연결하는 방법이 있으며, 이것으로 전하의 해제를 가속화한다. TTL에서는 논리 게이트 부분을 멀티 에미터 트랜지스터로 함으로써 이 문제를 해결하고 있으며, 동시에 집적 회로로 구현했을 때 필요한 면적이 작아진다는 장점이 있다.

참조

[1] 서적 IBM Customer Manual of Instruction: Transistor Component Circuits http://ibm-1401.info[...] IBM
[2] 서적 IBM's 360 and Early 370 Systems MIT Press
[3] 서적 History of Semiconductors Springer Science & Business Media
[4] 웹사이트 http://www.computerm[...]
[5] 문서
[6] 기타
[7] 웹사이트 IBM 1401 logic http://www.bitsavers[...] 2009-06-28
[8] 서적 Customer Engineering Manual of Instruction: Transistor Component Circuits http://ibm-1401.info[...] IBM 2012-04-24
[9] 간행물 Design and Application of Transistor Switching Circuits McGraw-Hill
[10] 간행물 A High Speed Diode Coupled NOR Gate 1962-08
[11] 웹사이트 ASIC world: "Diode Transistor Logic" http://www.asic-worl[...]
[12] 웹사이트 1963: Standard Logic IC Families Introduced; Computer History Museum. http://www.computerh[...]
[13] 웹사이트 Monolithic integrated circuit history; Andrew Wylie. https://web.archive.[...] 2018-07-19
[14] 간행물 High-Speed Switching Transistor Handbook Motorola, Inc.
[15] 간행물 Maximum Efficiency Switching Circuits https://web.archive.[...]
[16] 특허 Unitary Semiconductor High Speed Switching Device Utilizing a Barrier Diode
[17] 서적 Microelectronics Digital and Analog Circuits and Systems https://books.google[...] McGraw-Hill Book Company
[18] 서적 Microelectronics Digital and Analog Circuits and Systems https://books.google[...] New York: McGraw-Hill Book Company
[19] 웹사이트 ASIC world: "Diode Transistor Logic" http://www.asic-worl[...]
[20] 웹사이트 IBM 1401 logic http://www.bitsavers[...] 2009-06-28
[21] 서적 Form 223-6889-Transistor Component Circuits http://ibm-1401.info[...] IBM 2008-04-23
[22] 웹인용 computermuseum.li https://web.archive.[...] 2018-03-12
[23] 문서
[24] 기타


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