Resistor–transistor logic (RTL), sometimes also known as transistor–resistor logic (TRL), is a class of digital circuits built using resistors as the input network and bipolar junction transistors (BJTs) as switching devices. RTL is the earliest class of transistorized digital logic circuit; it was succeeded by diode–transistor logic (DTL) and transistor–transistor logic (TTL). 

RTL circuits were first constructed with discrete components, but in 1961 it became the first digital logic family to be produced as a monolithic integrated circuit. RTL integrated circuits were used in the Apollo Guidance Computer, whose design began in 1961 and which first flew in 1966.

Implementation

RTL inverter 

A bipolar transistor switch is the simplest RTL gate (inverter or NOT gate) implementing logical negation. It consists of a common-emitter stage with a base resistor connected between the base and the input voltage source. The role of the base resistor is to expand the very small transistor input voltage range (about 0.7 V) to the logical "1" level (about 3.5 V) by converting the input voltage into current. Its resistance is settled by a compromise: it is chosen low enough to saturate the transistor and high enough to obtain high input resistance. The role of the collector resistor is to convert the collector current into voltage; its resistance is chosen high enough to saturate the transistor and low enough to obtain low output resistance (high fan-out).

One-transistor RTL NOR gate 

With two or more base resistors (R3 and R4) instead of one, the inverter becomes a two-input RTL NOR gate (see the figure on the right). The logical operation OR is performed by applying consecutively the two arithmetic operations addition and comparison (the input resistor network acts as a parallel voltage summer with equally weighted inputs and the following common-emitter transistor stage as a voltage comparator with a threshold about 0.7 V). The equivalent resistance of all the resistors connected to logical "1" and the equivalent resistance of all the resistors connected to logical "0" form the two legs of a composed voltage divider driving the transistor. The base resistances and the number of the inputs are chosen (limited) so that only one logical "1" is sufficient to create base-emitter voltage exceeding the threshold and, as a result, saturating the transistor. If all the input voltages are low (logical "0"), the transistor is cut-off. The pull-down resistor R1 biases the transistor to the appropriate on-off threshold.  The output is inverted since the collector-emitter voltage of transistor Q1 is taken as output, and is high when the inputs are low. Thus, the analog resistive network and the analog transistor stage perform the logic function NOR.

Multi-transistor RTL NOR gate 

The limitations of the one-transistor RTL NOR gate are overcome by the multi-transistor RTL implementation. It consists of a set of parallel-connected transistor switches driven by the logic inputs (see the figure on the right). In this configuration, the inputs are completely separated and the number of inputs is limited only by the small leakage current of the cut-off transistors at output logical "1". The same idea was used later for building DCTL, ECL, some TTL (7450, 7460), NMOS and CMOS gates.

Transistor bias 

To ensure stability and predictable output of the bipolar transistors their base-inputs (Vb or base-terminal voltage) is biased.

Advantages 

The primary advantage of RTL technology was that it used a minimum number of transistors. In circuits using discrete components, before integrated circuits, transistors were the most expensive component to produce. Early IC logic production (such as Fairchild's in 1961) used the same approach briefly, but quickly transitioned to higher-performance circuits such as diode–transistor logic and then transistor–transistor logic (starting in 1963 at Sylvania Electric Products), since diodes and transistors were no more expensive than resistors in the IC.

Limitations 

The disadvantage of RTL is its high power dissipation when the transistor is switched on, by current flowing in the collector and base resistors. This requires that more current be supplied to and heat be removed from RTL circuits. In contrast, TTL circuits with "totem-pole" output stage minimize both of these requirements.

Another limitation of RTL is its limited fan-in: 3 inputs being the limit for many circuit designs, before it completely loses usable noise immunity. It has a low noise margin. Lancaster says that integrated circuit RTL NOR gates (which have one transistor per input) may be constructed with "any reasonable number" of logic inputs, and gives an example of an 8-input NOR gate.

A standard integrated circuit RTL NOR gate can drive up to 3 other similar gates.
Alternatively, it has enough output to drive up to 2 standard integrated circuit RTL "buffers", each of which can drive up to 25 other standard RTL NOR gates.

Speeding up RTL 

Various companies applied the following speed-up methods to discrete RTL.

Transistor switching speed has increased steadily from the first transistorized computers through the present.  The GE Transistor Manual (7th ed., p. 181, or 3rd ed., p. 97 or intermediate editions) recommends gaining speed by using higher-frequency transistors, or capacitors, or a diode from base to collector (parallel negative feedback) to prevent saturation.

Placing a capacitor in parallel with each input resistor decreases the time needed for a driving stage to forward-bias a driven stage's base-emitter junction.  Engineers and technicians use "RCTL" (resistor-capacitor-transistor logic) to designate gates equipped with "speed-up capacitors".  The Lincoln Laboratory TX-0 computer's circuits included some RCTL. However, methods involving capacitors were unsuitable for integrated circuits.

Using a high collector supply voltage and diode clamping decreased collector-base and wiring capacitance charging time.  This arrangement required diode clamping the collector to the design logic level.  This method was also applied to discrete DTL (diode–transistor logic).

Another method that was familiar in discrete-device logic circuits used a diode and a resistor, a germanium and a silicon diode, or three diodes in a negative feedback arrangement. These diode networks known as various Baker clamps reduced the voltage applied to the base as the collector approached saturation. Because the transistor went less deeply into saturation, the transistor accumulated fewer stored charge carriers. Therefore, less time was required to clear stored charge during transistor turn off. A low-voltage diode arranged to prevent saturation of the transistor was applied to integrated logic families by using Schottky diodes, as in Schottky TTL.

See also
 NORBIT

References

Further reading
 RTL Cookbook; 1st Ed; Don Lancaster; Sams; 240 pages; 1969; . (3ed archive)

Integrated circuits
Logic families
Apollo program hardware
저항-트랜지스터 논리(, RTL), 또는  트랜지스터-저항 논리는 저항기를 입력부로, 접합형 트랜지스터(BJT)를 처리부로 사용하는 일종의 디지털 회로이다. 저항-트랜지스터 논리는 최초로 트랜지스터화하여 사용된 디지털 회로로, 다른 종류에는 다이오드-트랜지스터 논리(DTL)와 트랜지스터-트랜지스터 논리(TTL)가 있다. RTL 회로는 처음은 이산회로로 구성되었었는데, 1961년이 되어서 집적 회로로 생산되면서 최초의 디지털 로직 패밀리가 되었다. RTL 집적 회로는 회로가 생산된 1961년부터 설계되어 1966년에 처음 가동된 아폴로 유도장치 컴퓨터에도 사용되었다.

구현

RTL NOT 게이트 

접합형 트랜지스터 스위치는 부정 논리를 수행하는 가장 간단한 RTL 회로이다 (NOT 게이트). 이는 베이스 저항이 베이스와 입력 단자에 연결된 공통 이미터로 이루어져 있다. 베이스 저항은 입력된 전압을 전류로 변환시켜서 매우 작은 트랜지스터 입력 전압(약 0.7V)을 논리적 "1" 수준(약 3.5V)으로 끌어올리기 위해 존재한다. 이 저항값은 조정을 통해 설정된다: 트랜지스터를 충족시킬 만큼 충분히 낮으면서도 높은 입력 저항값을 얻을 만큼 높은 값으로 설정된다. 컬렉터 저항의 역할은 컬렉터 전류를 전압으로 바꾸기 위해 있다. 이 저항값은 트랜지스터를 충족시킬 만큼 충분히 높으면서도 낮은 출력 저항값(높은 팬아웃)을 얻을 만큼 낮은 값으로 설정된다.

단일 트랜지스터 RTL NOR 게이트 

베이스 저항이 둘 이상(R3과 R4) 있으면, NOT 게이트는 RTL NOR 게이트(오른쪽 그림 참고)가 된다. 논리 연산자 OR는 덧셈과 비교의 두 산술 연산을 적용한 것이다(입력 저항은 동일한 가중치를 갖는 입력들의 병렬 전압 가산기처럼 행동하고 잇따르는 공통-이미터 트랜지스터는 약 0.7 V를 임계치로 갖는 전압 비교기처럼 행동한다). 논리적 "1"에 연결된 저항과 논리적 "0"에 연결된 저항은 트랜지스터로 형성된 전압 분리기의 두 다리 역할을 한다. 베이스 저항의 저항값과 입력의 개수는 한 논리적 "1"이 베이스-이미터 전압이 임계치를 넘어서 결과적으로 트랜지스터가 작동할 수 있도록 (제한적으로) 결정된다. 만약 입력 전압 전체가 낮다면(논리적 "0"), 트랜지스터는 전류가 끊긴다. 풀다운 저항 R1은 트랜지스터가 꺼짐과 켜짐을 적절하게 구분할 수 있도록 편향시킨다. 트랜지스터 Q1의 컬렉터-이미터 전압을 출력으로 생각하면 입력이 낮을 때 출력이 높기 때문에 출력이 부정된다. 따라서, 아날로그 저항 회로와 아날로그 트랜지스터는 논리 회로 NOR을 수행한다.

다중 트랜지스터 RTL NOR 게이트 

단일 트랜지스터 RTL NOR 게이트의 단점은 다중 트랜지스터 RTL로 보완할 수 있다. 다중 트랜지스터 RTL은 병렬 연결된 트랜지스터 스위치가 논리 입력을 연결한다(오른쪽 그림 참고). 이 그림에서, 입력은 완전히 분리되어 있으며 입력 개수의 제한은 차단 트랜지스터의 작은 전류 누수값이 논리적 "1"의 출력에 미치는 영향에 의존한다. 이 아이디어는 이후 DCTL, ECL, TTL 일부 (7450, 7460), NMOS와 CMOS 게이트를 만들 때 사용되었다.

장점 

RTL 기술의 일차적 장점은 트랜지스터를 최소한으로 사용한다는 점이다. 집적 회로 이전의 이산회로에서, 트랜지스터는 생산 가격이 가장 비쌌다. (1961년의 페어차일드 제품 같은) 초기 IC 논리 제품은 단순히 같은 방법으로 접근했었지만 집적 회로에서 다이오드와 트랜지스터가 더 이상 저항보다 비싸지 않게 되어서, 빠르게 다이오드-트랜지스터 논리와 같은 고성능 회로로 트랜지스터화되었고 (1963년의 Sylvania를 선두로) 트랜지스터-트랜지스터 논리까지 만들어졌다.

단점 

RTL의 단점은 트랜지스터가 작동될 때 베이스 저항과 컬렉터 저항으로 전류가 흘러서 전력 낭비가 높다는 점이다. 이 때문에, 더 많은 전류를 흘려 보내야 하며 RTL 회로에서 열을 제거해주어야 한다. 이와 반대로, "토템폴" 출력 상태의 TTL 회로는 이 두 요건을 최소화 시킨다.

RTL의 또다른 단점은 팬인이 제한되어 있는 것이다: 많은 회로 디자인에서 사용 가능한 잡음 내성에서 벗어나지 않는 입력 개수는 3개가 한계이다. 즉, 잡음 여유가 낮다. 랭카스터는 (입력 당 트랜지스터 1개를 가지는) 집적 RTL NOR 게이트는 "어떤 개수의" 논리적 입력으로든지 만들 수 있다고 말했으며, 8입력 NOR 게이트의 예시를 보였다.

표준 집적 RTL NOR 게이트는 입력을 최대 3개까지 가질 수 있다. 그 대신에, 최대 2개의 표준 집적 RTL "버퍼"를 작동시킬 수 있는 충분한 출력을 가지고 있으며, 각각의 버퍼는 또한 25개의 다른 표준 RTL NOR 게이트를 작동시킬 수 있다.

같이 보기 
 다이오드 논리 (DL)
 다이오드-트랜지스터 논리 (DTL)
 트랜지스터-트랜지스터 논리 (TTL)
 이미터-결합 논리 (ECL)

각주

더 알아보기 
 

집적 회로
논리 계열