¿Cuál es el mejor transistor para un proyecto grande de RTL (lógica de transistor de resistencia)?

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He estado leyendo en computadoras antiguas como el PDP-1 y el TX-0. Estoy fascinado con ellos y me encanta la idea de hacer mi propia CPU utilizando resistencias y transistores discretos. Tenga en cuenta que este es un proyecto educativo y estaré intentando crear una CPU de 4 bits.

Parece que la forma antigua era usar múltiples voltajes. En varios documentos, he notado que usan -3, +3 y +10. Encuentro esto confuso, pero me imagino que esos transistores de germanio más antiguos requerían un voltaje mucho más alto para saturarse.

Me gustaría ir con 5V o 3.3 posible, ya que parece ser un estándar común.

En pocas palabras, estoy tratando de saber qué valores de transistor estoy buscando. Tengo un stock de 2N2222, pero no estoy seguro de qué son las "trampas" en un proyecto como este. He construido con éxito puertas lógicas con estas basadas en algunos ejemplos simples. Mi preocupación es si pueden o no manejar grandes circuitos lógicos combinacionales. También he leído que la combinación de diodos puede aumentar la velocidad. Me doy cuenta de que esta es una tecnología antigua, y que simplemente podría usar los chips TTL de la serie 7400, pero esto parece divertido.

Ten paciencia conmigo, soy un ingeniero de software, pero aprende circuitos por diversión.

    
pregunta JohnnyStarr

3 respuestas

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Los proyectos de computación retro como este son muy divertidos, pero también mucho trabajo. Para empezar, debe hacerse algunas preguntas:

  • ¿Qué tan fiel quieres restringirte a la vieja tecnología? Usted dice que quiere construir una CPU, ¡ese es un objetivo mucho más modesto que construir una computadora! También es mucho más interesante diseñar y construir una CPU que una matriz de 10 x 10 x 10 x 10 de celdas de RAM de un solo bit ...

  • ¿Cuán fielmente quieres ser con las arquitecturas antiguas? Con RAM externa y ROM (barata y abundante) puede hacer trampa, por ejemplo, usando una instrucción muy amplia que contiene la siguiente dirección de instrucciones, por lo que no necesita hardware (o rutas de datos) para incrementar la PC. (Tenga en cuenta que algunas de las arquitecturas antiguas fueron engañadas de la misma manera al tener sus registros en la memoria RAM).

  • ¿Qué nivel de rendimiento desea lograr? Con los chips TTL / CMOS de 74 niveles, 10 MHz podría ser posible, con componentes discretos, creo que 100 kHz es más realista.

  • ¿Qué nivel de esfuerzo y recursos (dinero, tiempo, volumen) estoy dispuesto a gastar?

Una vez que haya hecho sus elecciones (tentativas), debe hacer algunos cálculos (de verificación de la realidad):

  • ¿cuántos transistores (o puertas NAND, o pines de chip de estilo 74, etc.) necesita?
  • ¿Cuál es el costo, el consumo de energía, el volumen, la disipación de energía, etc.
  • ¿Cuánto tiempo tomará ensamblar la CPU?

Hagamos algunos cálculos muy aproximados. El 4004 tenía 2300 transistores. Utiliza todos los trucos en el libro para limitar el número de transistores, algunos de los cuales no están disponibles para un diseño BJT discreto (lógica cargada, multiplexación de trans-transistor), y los diseñadores fueron inteligentes. Entonces, asumamos (IMO de forma conservadora) que necesita transistores 10k. Asuma una corriente de colector de 10 mA, 5 V de potencia, 1 cm ^ 2 por transistor.

Ahora obtenga su parte posterior del sobre (o servilleta, cartón de cerveza, o lo que sea):

  • Suponga que la mitad de los transistores son de conducción, la corriente total es de 0.5 * 10k * 0.01 = 50A. A 5 V, esto es 250 W. Necesitará algunas unidades de suministro de energía de tipo PC, cableado pesado, desacoplamiento, etc.

  • A $ 0.10 por transistor, el costo será de $ 500. Se puede hacer, pero quizás tengas que consultar a tu esposa. Tenga en cuenta que debe agregar todos los demás costos: resistencias, placas de pruebas, soldadura, cableado, etc.

  • Suponiendo un muy conservador de 1 cm ^ 2 por transistor, su área mínima será de 1 metro x 1 metro. Con resistencias, cableado, distribución de energía, etc. 10 metros cuadrados puede ser una mejor suposición.

  • Finalmente: tiempo de montaje. ¿Cuánto tiempo lleva ensamblar 1 transistor (y todos sus circuitos asociados)? Mi (optimista) juego de pelota es de 1 minuto. Para los transistores 10k, eso significa 167 horas de soldadura: aproximadamente 4 semanas completas de trabajo. ¡Tenga en cuenta que no se le permite cometer un error!

De estas cifras, mi conclusión sería: no deberías querer hacer esto. Utilice un bloque de construcción de nivel superior (compuerta NAND, chip MSI o LSI de estilo 74HC, o incluso FPGA) en su lugar. Si desea tener una idea de cómo construir realmente una CPU a partir de los primeros principios:

  • construye una pequeña parte (digamos un sumador completo de 1 bit, 4 bits si eres un masoquista) a partir de transistores y resistencias. Ahora has demostrado que puedes hacer puertas y hacer lógica.

  • construye una parte más grande (tal vez la ALU de 4 bits completa) a partir de puertas NAND.

  • construya su CPU a partir de chips estilo MSI y LSI 74HCs, RAM y ROM (Flash).

respondido por el Wouter van Ooijen
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Eso es un montón de transistores. No veo ninguna razón 2n2222 no funcionaría. Personalmente iría por paquetes de transistores para que pueda ahorrar espacio y tener el control total. También usaría menos corriente / potencia en general yendo con paquetes de transistores, ya que generalmente tienen menores capacidades de transporte de corriente.

También tengo curiosidad por saber por qué no sigue adelante con CMOS en lugar de RTL. Usaría menos energía, sería capaz de velocidades de reloj más altas y probablemente sería más compacto. Tal vez solo estás pensando en RTL, lo que está bien.

El 300S14-U es un paquete de 4 transistores, todo en un solo paquete si Quieres quedarte con BJT's. Eso ayudará a ahorrar espacio ...

Algo así como el paquete de mosfets ALD1106 te daría 4 en un paquete y te facilitaría el empacar si es que lo que estás usando.

Los mosfets desperdiciarían menos energía y probablemente cambiarían más rápido. El fanout con mosfets solo sería un problema de velocidad / tiempo, mientras que el fanout con bjt requiere el cálculo de la corriente requerida de la resistencia.

    
respondido por el horta
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El tipo más barato funcionará si solo te interesa la funcionalidad.

MMBT3904 / 6 es de aproximadamente 1.7 centavos si compra un carrete de 3.000 ($ 51) NPN / PNP, SMT.

Las piezas de orificio pasante más baratas que veo en Digikey son de 3.2 centavos cada una en 2,500 ($ 80) 2N3904

La versión beta garantizada de 70 a 1mA debería funcionar para usted. Los 2N2222 más antiguos tienen una ganancia garantizada más baja y son más caros, por lo que no veo la atracción. Si encuentra un barril de la versión TO-18, probablemente valga más en eBay que comprando 2N3904 o 2N4401 nuevos.

Esos son precios de Digikey, puedes hacerlo mejor. Arrow tiene ON semi MMBT3904 por 0.94 centavo si compras 10k ($ 94). E14 tiene NXP MMBT3904 por $ 33 por un rollo de 3,000. Por supuesto, el envío causará que el costo total varíe una vez que esté en la región "casi gratuita" de menos de $ 100. Las partes de orificio de menos de 1 centavo están disponibles en China.

    
respondido por el Spehro Pefhany

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