Resistor-transistor logic

抵抗-トランジスタ論理 (RTL)

抵抗-トランジスタ論理 (RTL) は、デジタル回路の一種であり、入力ネットワークに抵抗器、スイッチングデバイスにバイポーラトランジスタを使用します。これは、トランジスタを使用した論理回路としては最初期のものです。RTLの他に、ダイオード-トランジスタ論理 (DTL) やトランジスタ-トランジスタ論理 (TTL) なども存在します。

RTLインバータの実装

バイポーラトランジスタによるスイッチは、論理否定を実装した最も単純なRTLゲート（NOTゲートまたはインバータ）です。これは、入力電圧源とベースの間に抵抗器（ベース抵抗）を接続したエミッタ接地回路で構成されています。ベース抵抗は、入力電圧を電流に変換することで、ごくわずかなトランジスタ入力電圧（約0.7V）を論理の「1」のレベル（約3.5V）に拡張する役割を果たします。

抵抗値は、トランジスタを飽和させるのに十分低く、かつ高い入力抵抗を得られるほど十分に高く設定されます。コレクタ抵抗は、コレクタ電流を電圧に変換する役割を果たし、抵抗値はトランジスタを飽和させるほど十分に高く、かつ低い出力抵抗（すなわち高いファンアウト）を得るのに十分なほど低い値となるよう設定されます。

1トランジスタによるRTL・NORゲート

インバータのベース抵抗をもう1つ追加することで、単純なRTLのNORゲートが実現します。2つの演算操作である加算と比較を連続して適用することで論理和操作が実行されます。入力抵抗器ネットワークは、入力をそれぞれ等しく重み付けした並列「電圧加算器」として機能し、次のエミッタ接地回路がしきい値が約0.7Vの「電圧比較器」として機能します。入力抵抗器ネットワークは、トランジスタを駆動する分圧回路を構成しています。

ベース抵抗の抵抗値は、入力のうち1つだけが論理値「1」になっただけで、ベース-エミッタ電圧が飽和するよう選択する必要があり、そのため入力の数も制限されます。全ての入力が論理値「0」の場合、トランジスタはオフになります。プルアップ抵抗は、トランジスタが閉じるときの安定性を増すためにあります（シリコントランジスタの場合は実際には絶対必要というわけではありません）。トランジスタのコレクタ-エミッタ間の電圧降下が、フローティングコレクタ抵抗の電圧降下の代わりに接地出力となり、出力が反転します。このようにして、アナログの抵抗ネットワークとアナログのトランジスタでNORゲートの機能が実現されます。このような構成の回路（重み付き入力群の加算回路でスイッチを駆動する回路）を「しきい値論理ゲート」と呼びます。

複数トランジスタによるRTL・NORゲート

1トランジスタのRTL・NORゲートの限界を克服したのが、複数トランジスタを使ったRTL実装です。論理入力で駆動されるトランジスタ・スイッチを複数個並列接続した構成となります。この構成では、入力が完全に分離しており、入力の数は出力が論理レベル「1」となったときの遮断したトランジスタの逆飽和電流によってのみ制限されます。同様の考え方は後の DCTL、ECL、一部のTTL（7450, 7460）、NMOSやCMOSのゲートでも採用されています。

RTLの利点

RTLテクノロジーの主な利点は、必要なトランジスタ数が少ない点です。トランジスタが高価だった集積回路以前（つまり個々の部品で回路を構成する場合）には重要な利点でした。1961年にフェアチャイルドが製造したICなど初期のICは回路構成にRTLに基づいたものを使っていましたが、IC上ではトランジスタやダイオードを形成するのも抵抗器に比べて高価ではなくなったため、間もなくもっと性能のよい diode-transistor logic などに移行し、さらに transistor–transistor logic（1963年）へと移行しました。

RTLの欠点

RTLの明らかな欠点は、トランジスタがオンになったときの消費電力の高さです（電力を消費するのは主に入力が「1」となっているところのベース抵抗とコレクタ抵抗です）。そのため電流も多く流れ、発熱も大きくなります。TTLのトーテムポール出力段は電流も熱も最小に抑えることができます。

標準的なRTL・NORゲートなどの集積回路は3入力までをサポートしていました。一方、出力は2つまでのRTLバッファ集積回路を駆動でき、バッファがそれぞれ25の標準RTL・NORゲートを駆動できました。

RTLの性能向上策

RTLに対して様々な製造業者が性能向上策を考案してきました。

トランジスタのスイッチング速度はこれまで徐々に向上してきました。速度向上のために高周波用のトランジスタの利用、コンデンサの利用、ベースとコレクタの間をダイオードで繋ぐ方法などが挙げられています。
入力抵抗にコンデンサを並列接続するとトランジスタの駆動にかかる時間を短縮できます。このような性能向上用のコンデンサを使った回路を RCTL (resistor capacitor transistor logic) と呼んで区別しました。リンカーン研究所のTX-0は回路の一部にRCTLを使っていました。
コレクタに印加する電源電圧を高くし、クランピング用ダイオードを挟むと、コレクタ-ベース間などのキャパシタンスの充電時間を短縮できます。この場合、コレクタをクランピングするダイオードが論理設計レベルで必要となります。同様の技法はDTL (diode-transistor logic) にも適用されました。
もう1つの手法として、ダイオードと抵抗器、または3つのダイオードでコレクタが飽和する際のベースにかかる電圧を下げるよう負帰還経路を構成するという技法があります。するとトランジスタはあまり深く飽和しなくなるので、蓄積される電荷も少なくなるため、蓄積した電荷を解放するのにかかる時間も短縮できます。

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