数字电路

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什么是数字电路[1]

  数字电路是指工作在数字信号下的电路。数字电路的组成材料是以数字集成器件所用的材料以硅材料为主,在高速电路中,也使用化合物半导体材料,例如砷化镓等。

  数字电路的结构特点:数字电路是以二值数字逻辑为基础的,其中的工作信号是离散的数字信号电路中的电子器件,如二极管三极管(BJT)、场效应管(FET)处于开关状态,时而导通,时而截止。

数字电路的特点[2]

  数字电路在以下几方面具有自身的特点:

  (1)在数字信号的状态及表示方法方面

  数字信号在时间和数值上均为离散的,在数字电路的基本单元中电压电流通常只有两种状态,即高电位或低电位,有电流或无电流。这两种状态分别用二元量1、0来简单表示。高电位记为状态1,低电位记为状态0。

  (2)在数字电路研究的主要问题方面

  数字电路主要研究的是电路的逻辑功能,即输入信号(由1和0组成)和输出信号(由1和0组成)之间的关系,这种关系往往反映一些特定的规律,称为逻辑关系,即电路的逻辑功能。

  (3)在数字电路中半导体管的工作状态方面

  在数字电路中的晶体管多数工作在开关状态,即工作在饱和区和截止区,而放大区只是中间过渡状态。

  (4)在数字电路的分析方法方面

  主要采用逻辑代数(又称为希尔代数)作为分析方法,主要用真值表、卡诺图、逻辑表达式等表示电路的功能。

数字电路的发展

  1.发展历史:与模拟电路一样,数字电路经历了由电子管、半导体分立器件到集成电路等几个阶段。但数字集成电路比模拟集成电路的发展更快,使数字集成电路的性能产生了质的飞跃。

  2.器件工艺的发展:逻辑门是一种重要的逻辑单元电路。TTL逻辑门电路问世较早,其工艺经过不断改进,至今已成为主要的基本逻辑器件之一。随着MOS工艺特别是CMOS工艺的发展,TTL的主导地位有被CMOS器件所取代的趋势。近年来,可编程逻辑器件(PLD)特别是现场可编程门阵列FPGA)的飞速进步,使数字电子技术开创了新局面,不仅规模大,而且将硬件与软件相结合,使器件的功能更加完善,使用也更加灵活。

数字电路的组成[3]

  数字电路组成的一般框图如图所示,其数据输入与输出的信号以及控制与操作的变量都是数字信号。

  图中含有对数字信号进行传送、逻辑运墓掣算、控制、计数、寄存、显示以及信号的产生、输入整形、变换等不同功能的数字部件。在数字电路中,电压或电流通常只有两个状态:高电平或低电平,有电流或无电流。数字信号通常是以时间上或空间上的0、1符号序列来表示。数字电路输入与输出的0、1符号序列间的逻辑关系就是数字电路的逻辑功能。因此,数字电路也可以认为是实现各种逻辑关系的电路。

  Image:数字电路组成的一般方框图.jpg

  数字电路通常由逻辑门、触发器、计数器及寄存器等逻辑部件构成,可以用来对数字信号进行传送、逻辑运算、控制、计数、寄存、显示以及信号的产生、整形、变换等。

数字电路的分类[4]

  按电路组成结构的不同,数字电路可分为分立元器件电路和集成电路两大类。分立元器件电路是最基本的电路,由二极管晶体管、电阻、电容等元器件组成,并且所有元器件都裸露在外,没有封装。随着集成电路的飞跃发展,分立元器件电路已逐步被取代。集成电路按集成度的大小分为小规模集成电路(SSI,集成度为1~10门/片)、中规模集成电路(MSI,集成度勾10~100门/片)、大规模集成电路(LSI,集成度为100~1000门/片)和超大规模集成电路(VISI,集成度大于1000门/片)。集成电路从应用的角度可分为通用型和专用型两大类,通用型是已被定型的标准化、系列化产品,适用于不同的数字设备;专用型是指为某种特殊用途专门设计、具有复杂而完整功能的产品,只适用于专门的数字设备。

  按构成电路的半导体器件的不同,数字电路可分为双极型和单极型电路两大类。以双极型器件(如二极管、晶体管)组成的双极型数字电路又有TTL、DTL、ECL、III。、HTL等多种;以单极型器件(如场效应晶体管)组成的单极型数字电路又有JFET、NMOS、PMOS、CM()S多种。

  按电路有无记忆功能,数字电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。

参考文献

  1. 数字电子技术基础网络课程 1 数字电路的基本概念.空军工程大学工程学院
  2. 章新友.医药电子技术.中国中医药出版社,2010.05.
  3. 孙余凯,郭亚红主编.数字电子技术.人民邮电出版社,2010.10.
  4. 魏红,张畅编著.电工电子学.科学出版社,2011.02.
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