Porte logique diode-transistor

Le circuit DTL montré sur le schéma se compose de trois étages : un étage d'entrée en logique à diodes (D1, D2 et R1), un étage intermédiaire de décalage de niveau (R3 et R4) et un étage de sortie amplificateur à émetteur commun (Q1 et R2). Si les deux entrées A et B sont hautes (logique 1 ; près de V+), alors les diodes D1 et D2 sont polarisées inversement. Les résistances R1 et R3 fourniront alors suffisamment de courant pour activer Q1 (mener Q1 à la saturation) et fourniront également le courant nécessaire à R4. Il y aura une petite tension positive sur la base de Q1 (V_BE, environ 0,3 V pour le germanium et 0,6 V pour le silicium). Le courant collecteur du transistor allumé va alors tirer la sortie vers le bas (logique 0 ; V_CE (saturation), généralement inférieure à 1 volt). Si l’une ou les deux entrées sont basses, alors au moins une des diodes d’entrée conduit et tire la tension aux anodes à une valeur inférieure à environ 2 volts. R3 et R4 agissent alors comme un diviseur de tension qui rend la tension de base de Q1 négative et coupe donc Q1. Le courant collecteur de Q1 sera quasiment nul, donc R2 fera monter la tension de sortie Q vers le haut (logique 1 ; près de V+).

Ancienne logique à diodes avec inverseur à transistor

Jusqu’en 1952, IBM fabriquait des transistors en modifiant des diodes au germanium prêtes à l’emploi, après quoi il a eu sa propre usine de fabrication de transistors à jonction alliée (en) à Poughkeepsie^[2],[3]. Au milieu des années 1950, la logique à diodes a été utilisée dans l’IBM 608 (en), qui fut le premier ordinateur entièrement transistorisé au monde. Une seule carte pouvait contenir quatre circuits à deux voies, ou trois circuits à trois voies ou un circuits à huit voies. Tous les signaux d’entrée et de sortie étaient compatibles. Les circuits étaient capables de commuter de manière fiable des impulsions courtes qu’une microseconde.

Les concepteurs de l’ordinateur de guidage D-17B (en) de 1962 utilisaient autant que possible la logique à diodes et résistances (DRL), afin de minimiser le nombre de transistors employés.

L’IBM 1401 (annoncé en 1959^[4]) utilisait des circuits DTL similaires à ceux montrés sur le schéma^[5]. IBM a appelé cette logique « logique à diode à transistors complémentaires » (CTDL)^[6]. Le CTDL évitait l’étage de décalage de niveau (R3 et R4) en alternant des portes basées sur des transistors NPN et PNP fonctionnant à différentes tensions d’alimentation. Les circuits à base de NPN utilisaient +6 V et -6 V, le transistor commutait à une valeur proche de -6 V, les circuits à base de PNP utilisaient 0 V et -12 V, et le transistor commutait à proximité de 0 V. Ainsi, par exemple, une porte NPN pilotée par une porte PNP verrait une tension seuil de -6 V au milieu de la plage de 0 V à -12 V. De même pour la commutation de portes PNP à 0 V, pilotée par une plage de 6 V à -6 V. Le 1401 utilisait des transistors et diodes au germanium dans ses portes de base^[7]. Le 1401 a également ajouté une inductance en série avec la résistance R2^[7],[8]. Le boîtier utilisait le système modulaire standard IBM.

Dans une version en circuit intégré de la porte DTL, R3 est remplacé par deux diodes de décalage de niveau connectées en série. De plus, le bas de R4 est relié à la masse pour fournir un courant de polarisation aux diodes et un chemin de décharge pour la base du transistor. Le circuit intégré résultant fonctionne avec une seule tension d’alimentation^{[9],[10],[11]}.

En 1962, Signetics a lancé la famille de la série SE100, le premier produit de l’entreprise et la première famille de puces DTL à grand volume. En 1964, Fairchild a lancé la famille micrologique DTμL série 930, qui offrait une meilleure immunité au bruit, une puce plus petite et un coût moindre. C’était la famille DTL la plus commercialement réussie et elle a été copiée par d’autres fabricants de circuits intégrés^[12],[13].

Le délai de propagation (en) de la DTL est relativement important. Lorsque le transistor passe en saturation à cause de toutes les entrées hautes, la charge est stockée dans la région de la base. Quand il sort de saturation (une entrée devient basse), cette charge doit être retirée et dominera le délai de propagation.

Une façon d’accélérer le DTL est d’ajouter un petit condensateur « accélérateur » sur R3. Le condensateur aide à éteindre le transistor en retirant la charge stockée dans la base ; le condensateur aide également à activer le transistor en augmentant le pilotage initial de la base^[14].

Une autre façon d’accélérer le DTL est d’éviter de saturer le transistor de commutation. Cela peut se faire avec un Baker clamp (en). Le Baker clamp porte le nom de Richard H. Baker, qui l’a décrit dans son rapport technique de 1956 « Circuit de commutation à efficacité maximale »^[15].

En 1964, James R. Biard (en) a déposé un brevet pour le transistor Schottky (en)^[16]. Dans son brevet, la diode Schottky empêchait le transistor de saturer en minimisant la polarisation directe sur la jonction collecteur-base du transistor, réduisant ainsi l’injection de porteurs minoritaires à une quantité négligeable. La diode pouvait également être intégrée sur la même puce, avait une disposition compacte, aucun stockage de charge par porteurs minoritaires, et était plus rapide qu’une diode à jonction conventionnelle. Son brevet montrait également comment le transistor Schottky pouvait être utilisé dans des circuits DTL et améliorer la vitesse de commutation d’autres conceptions logiques saturées, comme la TTL Schottky, à faible coût.