數字電路

從前面的介紹，大家已經了解到數字電路是以二值數字邏輯為基礎的，其工作信號是離散的數字信號。電路中的電子晶體管工作於開關狀態，時而導通，時而截止。

數字電路的發展與模擬電路一樣經歷了由電子管、半導體分立器件到集成電路等幾個時代。但其發展比模擬電路發展的更快。從60年代開始，數字集成器件以雙極型工藝製成了小規模邏輯器件。隨後發展到中規模邏輯器件；70年代末，微處理器的出現，使數字集成電路的性能產生質的飛躍。

數字集成器件所用的材料以硅材料為主，在高速電路中，也使用化合物半導體材料，例如砷化鎵等。

邏輯門是數字電路中一種重要的邏輯單元電路。TTL邏輯門電路問世較早，其工藝經過不斷改進，至今仍為主要的基本邏輯器件之一。隨著CMOS工藝的發展，TTL的主導地位受到了動搖，有被CMOS器件所取代的趨勢。

近幾年來，可編程邏輯器件PLD特別是現場可編程門陣列FPGA的飛速進步，使數字電子技術開創了新局面，不僅規模大，而且將硬體與軟體相結合，使器件的功能更加完善，使用更靈活。

數字電路或數字集成電路是由許多的邏輯門組成的複雜電路。與模擬電路相比，它主要進行數字信號的處理（即信號以0與1兩個狀態表示），因此抗干擾能力較強。數字集成電路有各種門電路、觸發器以及由它們構成的各種組合邏輯電路和時序邏輯電路。一個數字系統一般由控制部件和運算部件組成，在時脈的驅動下，控制部件控制運算部件完成所要執行的動作。通過模擬數字轉換器、數字模擬轉換器，數字電路可以和模擬電路互相連接。

按功能來分：

簡稱組合電路，它由最基本的邏輯門電路組合而成。特點是：輸出值只與當時的輸入值有關，即輸出惟一地由當時的輸入值決定。電路沒有記憶功能，輸出狀態隨著輸入狀態的變化而變化，類似於電阻性電路，如加法器、解碼器、編碼器、數據選擇器等都屬於此類。

簡稱時序電路，它是由最基本的邏輯門電路加上反饋邏輯迴路（輸出到輸入）或器件組合而成的電路，與組合電路最本質的區別在於時序電路具有記憶功能。時序電路的特點是：輸出不僅取決於當時的輸入值，而且還與電路過去的狀態有關。它類似於含儲能元件的電感或電容的電路，如觸發器、鎖存器、計數器、移位寄存器、儲存器等電路都是時序電路的典型器件。

按電路有無集成元器件來分，可分為分立元件數字電路和集成數字電路。

按集成電路的集成度進行分類，可分為小規模集成數字電路(SSI)、中規模集成數字電路(MSI)、大規模集成數字電路(LSI)和超大規模集成數字電路(VLSI)。

按構成電路的半導體器件來分類，可分為雙極型數字電路和單極型數字電路。

1、同時具有算術運算和邏輯運算功能

數字電路是以二進位邏輯代數為數學基礎，使用二進位數字信號，既能進行算術運算又能方便地進行邏輯運算（與、或、非、判斷、比較、處理等），因此極其適合於運算、比較、存儲、傳輸、控制、決策等應用。

2、實現簡單，系統可靠

以二進位作為基礎的數字邏輯電路，可靠性較強。電源電壓的小的波動對其沒有影響，溫度和工藝偏差對其工作的可靠性影響也比模擬電路小得多。

3、集成度高，功能實現容易

集成度高，體積小，功耗低是數字電路突出的優點之一。電路的設計、維修、維護靈活方便，隨著集成電路技術的高速發展，數字邏輯電路的集成度越來越高，集成電路塊的功能隨著小規模集成電路（SSI）、中規模集成電路（MSI）、大規模集成電路（LSI）、超大規模集成電路（VLSI）的發展也從元件級、器件級、部件級、板卡級上升到系統級。電路的設計組成只需採用一些標準的集成電路塊單元連接而成。對於非標準的特殊電路還可以使用可編程序邏輯陣列電路，通過編程的方法實現任意的邏輯功能。

數字電路與數字電子技術廣泛的應用於電視、雷達、通信、電子計算機、自動控制、航天等科學技術領域。

數字電路的分類：

包括數字脈衝電路和數字邏輯電路。

前者研究脈衝的產生、變換和測量；後者對數字信號進行算術運算和邏輯運算。

數字電路的劃分：

1.按功能分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類。

前者在任何時刻的輸出，僅取決於電路此刻的輸入狀態，而與電路過去的狀態無關，它們不具有記憶功能。常用的組合邏輯器件有加法器、解碼器、數據選擇器等。

後者在任何時候的輸出，不僅取決於電路此刻的輸入狀態，而且與電路過去的狀態有關，它們具有記憶功能。

2.按結構分為分立元件電路和集成電路。

前者是將獨立的晶體管、電阻等元器件用導線連接起來的電路。

後者將元器件及導線製作在半導體矽片上，封裝在一個殼體內，並焊出引線的電路。集成電路的集成度是不同的。

數字電路主要研究對象是電路的輸出與輸入之間的邏輯關係，因而在數字電路中不能採用模擬電路的分析方法，例如，小信號模型分析法。由於數字電路中的器件主要工作在開關狀態，因而採用的分析工具主要是邏輯代數，用功能表、真值表、邏輯表達式、波形圖等來表達電路的主要功能。

隨著計算技術的發展，為了分析、模擬與設計數字電路或數字系統，還可以採用硬體描述語言，使用如ABEL語言等軟體，藉助計算機來分析、模擬與設計數字系統。

數字電路在正確設計和安裝后須經嚴格的測試方可使用。事實上，在邏輯設計階段就應該考慮到數字電路的測試。如果對電路的測試目的只是為了檢查電路是否發生了故障，則稱這種測試為數字電路的故障檢測；對電路的邏輯功能的測試稱為功能測試或靜態測試；對電氣特性或時間特性的測試稱為動態測試；如果測試的目的不僅是為了檢查電路是否有故障，而且還要確定發生故障的部位，則稱這種測試為故障定位。

數字電路中研究的主要問題是輸出信號的狀態（“0”或“1”）和輸入信號（“0”或“1”）之間的邏輯關係，即電路的邏輯功能。

數字電路的研究方法是邏輯分析和邏輯設計，所需要的工具是邏輯代數。（在正邏輯下，“0”是低電平，“1”是高電平，高低電平沒有明確的界限）

電子設備從以模擬方式處理信息，轉到以數字方式處理信息的原因，主要在以下幾個方面：

穩定性好：數字電路不像模擬電路那樣易受雜訊的干擾。

可靠性高：數字電路中只需分辨出信號的有與無，故電路的組件參數，可以允許有較大的變化（漂移）範圍。

可長期存儲：數字信息可以利用某種媒介，如磁帶、磁碟、光碟等進行長時期的存儲。

便於計算機處理：數字信號的輸出除了具有直觀、準確的優點外，最主要的還是便於利用電子計算機來進行信息的處理。

便於高度集成化：由於數字電路中基本單元電路的結構比較簡單，而且又允許組件有較大的分散性，這就使我們不僅可把眾多的基本單元做在同一塊矽片上，同時又能達到大批量生產所需要的良率。