數字電路

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什麼是數字電路[1]

  數字電路是指工作在數字信號下的電路。數字電路的組成材料是以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。

  數字電路的結構特點:數字電路是以二值數字邏輯為基礎的,其中的工作信號是離散的數字信號電路中的電子器件,如二極體三極體(BJT)、場效應管(FET)處於開關狀態,時而導通,時而截止。

數字電路的特點[2]

  數字電路在以下幾方面具有自身的特點:

  (1)在數字信號的狀態及表示方法方面

  數字信號在時間和數值上均為離散的,在數字電路的基本單元中電壓電流通常只有兩種狀態,即高電位或低電位,有電流或無電流。這兩種狀態分別用二元量1、0來簡單表示。高電位記為狀態1,低電位記為狀態0。

  (2)在數字電路研究的主要問題方面

  數字電路主要研究的是電路的邏輯功能,即輸入信號(由1和0組成)和輸出信號(由1和0組成)之間的關係,這種關係往往反映一些特定的規律,稱為邏輯關係,即電路的邏輯功能。

  (3)在數字電路中半導體管的工作狀態方面

  在數字電路中的晶體管多數工作在開關狀態,即工作在飽和區和截止區,而放大區只是中間過渡狀態。

  (4)在數字電路的分析方法方面

  主要採用邏輯代數(又稱為希爾代數)作為分析方法,主要用真值表、卡諾圖、邏輯表達式等表示電路的功能。

數字電路的發展

  1.發展歷史:與模擬電路一樣,數字電路經歷了由電子管、半導體分立器件到集成電路等幾個階段。但數字集成電路比模擬集成電路的發展更快,使數字集成電路的性能產生了質的飛躍。

  2.器件工藝的發展:邏輯門是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,至今已成為主要的基本邏輯器件之一。隨著MOS工藝特別是CMOS工藝的發展,TTL的主導地位有被CMOS器件所取代的趨勢。近年來,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,使用也更加靈活。

數字電路的組成[3]

  數字電路組成的一般框圖如圖所示,其數據輸入與輸出的信號以及控制與操作的變數都是數字信號。

  圖中含有對數字信號進行傳送、邏輯運墓掣算、控制、計數、寄存、顯示以及信號的產生、輸入整形、變換等不同功能的數字部件。在數字電路中,電壓或電流通常只有兩個狀態:高電平或低電平,有電流或無電流。數字信號通常是以時間上或空間上的0、1符號序列來表示。數字電路輸入與輸出的0、1符號序列間的邏輯關係就是數字電路的邏輯功能。因此,數字電路也可以認為是實現各種邏輯關係的電路。

  Image:数字电路组成的一般方框图.jpg

  數字電路通常由邏輯門、觸發器、計數器及寄存器等邏輯部件構成,可以用來對數字信號進行傳送、邏輯運算、控制、計數、寄存、顯示以及信號的產生、整形、變換等。

數字電路的分類[4]

  按電路組成結構的不同,數字電路可分為分立元器件電路和集成電路兩大類。分立元器件電路是最基本的電路,由二極體晶體管、電阻、電容等元器件組成,並且所有元器件都裸露在外,沒有封裝。隨著集成電路的飛躍發展,分立元器件電路已逐步被取代。集成電路按集成度的大小分為小規模集成電路(SSI,集成度為1~10門/片)、中規模集成電路(MSI,集成度勾10~100門/片)、大規模集成電路(LSI,集成度為100~1000門/片)和超大規模集成電路(VISI,集成度大於1000門/片)。集成電路從應用的角度可分為通用型和專用型兩大類,通用型是已被定型的標準化、系列化產品,適用於不同的數字設備;專用型是指為某種特殊用途專門設計、具有複雜而完整功能的產品,只適用於專門的數字設備。

  按構成電路的半導體器件的不同,數字電路可分為雙極型和單極型電路兩大類。以雙極型器件(如二極體、晶體管)組成的雙極型數字電路又有TTL、DTL、ECL、III。、HTL等多種;以單極型器件(如場效應晶體管)組成的單極型數字電路又有JFET、NMOS、PMOS、CM()S多種。

  按電路有無記憶功能,數字電路可分為組合邏輯電路和時序邏輯電路兩大類。

參考文獻

  1. 數字電子技術基礎網路課程 1 數字電路的基本概念.空軍工程大學工程學院
  2. 章新友.醫葯電子技術.中國中醫葯出版社,2010.05.
  3. 孫餘凱,郭亞紅主編.數字電子技術.人民郵電出版社,2010.10.
  4. 魏紅,張暢編著.電工電子學.科學出版社,2011.02.
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