數字電路詳解介紹

一、數字電路概述

用數字信號完成對數字量進行邏輯運算和算術運算的電路稱為數字電路。 由于它具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱為數字邏輯電路。 現代的數字電路由半導體工藝制成的數字集成器件構造而成。 邏輯門是數字電路的基本單元電路，就如同在模擬電路中基本放大電路是模擬電路的基本單元電路。

1、數字電路按功能分類

<1>、組合邏輯電路

組合邏輯電路是由基本的邏輯門電路組合而成。 特點是：輸出值只與時的輸入值有關，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，類似于電阻性電路，如編碼器，譯碼器，數據選擇器，加法器…… 等都屬于此類電路。

<2>、時序邏輯電路

時序邏輯電路是由最基本的邏輯門電路加上發饋邏輯回路<輸出反饋送回輸入>或器件組合而成的電路，與組合邏輯電路最本質的區別在于時序電路具有記憶功能。 特點是：輸出不僅取決于當時的輸入值，而且還與電路過去的狀態有關，類似于含儲能功能的電容或電感電路，如觸發器、寄存器、鎖存器、計數器…… 等都屬于此類電路。

2、數字電路的特點

<1>、同時具有算術運算和邏輯運算功能

數字電路是以二進制邏輯代數為數學基礎，使用二進制數字信號(矩形波)，既能進行算術運算又能方便地進行邏輯運算(與、或、非等)因此極其適合于運算、比較、存儲、傳輸、控制…… 等應用。

<2>、實現簡單，系統可靠

以二進制作為基礎的數字邏輯電路，具有簡單可靠，準確高的優點。

<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擊的優點之一。 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要采用一些標準的集成電路塊單元連接而成。 對于非標準的特殊電路還可以使用編程邏輯陳列電路，通過變成的方法實現任意的邏輯功能。

<4>、數字電路中晶體管的工作狀態

在模擬電子線路中，專門研究的是如何進行放大，控制和振蕩，電路中的三極管一般工作于放大區，標準信號一般為正弦波，分析方法采用估算法，圖解法，等效電路法。

在數字電路中，主要研究的是輸入與輸出之間的邏輯關系，其邏輯關系的結果用0或1表示，電路中的晶體管多數工作于開關狀態，即飽和區或截止區，一般標準信號為方波或矩形波，分析的方法是邏輯代數，表達電路的功能主要有邏輯函數，真值表，邏輯符號，波形圖等。

二、脈沖基礎知識

1、脈沖的概念及其波形

如圖所示為簡單的脈沖發生器電路，設開關S原先(初始時)是打開的，電阻兩端電壓UR=0。 若在t1時刻接通開關S，則電阻R兩端電壓將從0突然跳變到近于電源電壓VG，即UR=VG; 若在t2時刻，突然斷開開關S，則電阻R兩端電壓將從VG又突然跳變到0，即UR=0，同理不斷的通斷開關S，則R兩端的電壓就會如圖所示波形變化，這就是一串脈沖信號。

瞬間突然變化，作用時間極短的電壓或電流就稱為脈沖信號。 簡稱脈沖，脈沖信號可以是周期性重復的，也可以是非周期性的或單次的。

幾種常見的脈沖信號波形：

2、矩形脈沖波的幾個參數

①脈沖幅度(值)Um：脈沖電壓變化的最大值。

②脈沖周期T：周期性脈沖相鄰兩脈沖波對應間隔的時間。 它的倒數就是頻率f=1T。

③脈沖寬度tp，指脈沖上升沿和下降沿幅值為50%處的時間寬度，它與脈沖周期之間的比值稱為占空比。

④上升沿時間tr：脈沖從幅度的10%處上升到幅度的90%處所需的時間。

⑤下降沿時間tf：脈沖從幅值的90%處下降到幅值的10%處所需的時間。

三、RC積分電路與RC微分電路

1、RC電路的充放電特性：

在RC充放電的電路中，因為電容的充放電過程需要一定的時間，所以RC電路從一個穩定狀態轉向另一個穩定狀態是不會突變的，它必須經歷一個過渡過程。

①RC電路的充電過程

設初始時，開關S閉合于B點，電容C上沒有電荷，所以Uc=0，當S由B合向A后，電源VG通過R向C充電，根據電容的基本特性電容器兩端的電壓不能突變，在充電開始瞬間，Uc=0(幾乎等于短路)，此時充電電流最大。 因此ic=VGR，電阻R兩端的電壓UR也最大，UR=ic*R=VG。

隨著電容C上電荷的充電積累，Uc開始上升(UR下降)，同時因為UR=VG-Uc，ic=VRR=(VG-Vc)R，所以ic就下降，到最后，U=VG，ic≈0,此時充電過程結束。

充電時電容兩端的電壓和流過電容的電流的變化是指數規律。

②RC電路的時間常時τ

電容器的充電速度與R和C的大小有關：電容C越大，充至同樣電壓所需的電荷越多，所以Uc上升就越慢，反之越快，同理電阻R越大，充電電流越小，電荷量積累越慢，所以Uc上升也越慢，反之越快。 (可以用水塔的大小與水管的大小舉例)

R與C的乘積稱為電路的時間常數τ=RC，若R的單位為Ω，C的單位為F，則τ單位為S。 充電快慢可由時間常數τ來衡量，τ大則慢，τ小則快，一般當充電時間t=0.7τ時，Uc≈0.5VG，當t=(3-5)τ，認為充電結束。

③RC電路的放電過程

在電容器充電結束后，開關S由A合向B點使電容器通過R放電。 開始瞬間，因電荷的釋放也要有個過程，所以電容兩端的電壓Vc仍為VG，這時放電電流ic為最大，由于充電電流與放電電流相反，所以ic=-VGR。 隨后Uc逐漸下降，ic也跟著反向下降，最后Uc=0，ic=0，ic取負值表示放電電流與充電電流方向相反。

2、RC積分電路

①電路特點;

輸出信號取自RC電路的電容C兩端

電路的時間常數τ應遠大于輸入矩形脈沖寬度tp

把矩形波變換為近似的三角波(鋸齒波)

②電路工作原理

設輸入信號UI為矩形脈沖波，當UI由0跳邊到Vm時，相當于電路的輸入端接了一個電源電壓Vm，電容C開始充電，Uc以指數規律上升。 由于Τrc>tp，所以電容C的充電過程緩慢，在t1-t2時刻內，Uc的上升只是指數函數曲線很小的一段。

當UI由Vm跳變到0時，t2-t3時刻，電容C開始通過R放電，此時Uo按指數規律下降。 所以當輸入為矩形波，通過積分電路滿足條件，輸出可以變換為近似三角波(鋸齒波)。

③應用;

對脈沖喜好起到“突出恒定量，壓低變化量”的作用。

將矩形波變換成近似的三角波(鋸齒波)

應用“積分現象”把跳變電壓“延緩”

從寬窄不同的脈沖串中，把寬脈沖選取出來。

3、RC微分電路

①電路特點;

輸出信號取自RC電路中的電阻R兩端。

電路的時間常數τ應遠小于輸入矩形波脈沖波寬度tp。

把矩形波變換為正負相間的尖峰波。

②電路的工作原理;

在t=t1瞬間，UI由0跳變為Vm，從圖可知，輸出電壓Uo=UI-Uc，而初始時Uc=0(因為電容電壓不能突變)。 故Uo=UI=Vm，因此Uo也從0跳變至Vm。

在t1至t2時間內，UI處于脈沖平頂階段，故UI保持Vm，Vm電壓對C進行充電，輸出電壓Uo=Vm-Vc，Uo下降，又由于τ=RC遠小于輸入矩形脈沖波的脈沖寬度tp，所以Vc很快充到Vm，Uo很快下降到0，Uo形成了一個正的尖峰波。

在t=t2時，UI由Vm跳變到0，輸入端相當于短路，由于電容兩端電壓不能突變，此瞬間電容兩端電壓Uc仍為Vm，而Uo=UI-Vc=0-Vm=-Vm，所以Uo=- Vm在t2至t3時間內，電容C通過R放電而使Uc按指數規律很快下降到0，Uo= UI -Vc=0-Vc，故Uo相應很快上升到0，于是Uo形成了一個負的尖峰波。

③應用;

對脈沖信號起到“突出變化量，壓低恒定量”的作用。

將矩形波變換成正負相間的尖峰波。

可以提高開關電路的開關速度。

4、RC電路的兩個常用電路;

四、半導體器件的開關特性;

在脈沖電路中，經常把二極管和三極管作為“開關”使用，當二極管正向導通和三極管飽和導通時，相當于一個“開關”處于接通狀態; 反之，當二極管或三極管截止時，則相當于“開關”處于斷開狀態。 二極管和三極管在脈沖電路中作為“開關”使用時，我們希望管子導通和截止狀態的相互轉換速度愈快愈好。

1、二極管的開關特性;

①二極管的開關作用

當外加正向電壓(硅管>0.7V，鍺管>0.3V)時，二極管導通，相當于閉合開關串接管壓降UD(硅管0.7V，鍺管0.3V)。 如果外加電壓遠大于UD，則可忽略UD的影響，電阻兩端電壓約等于輸入的電壓。

當外加反向電壓【或正向電壓很小(硅管<0.5V，鍺管<0.1V)】時，二極管截止，相當于斷開的開關，電阻兩端的電壓約等于0。

②二極管的開關時間;

二極管的反向恢復時間：二極管加反向偏置電壓從原來穩定的導通狀態轉換為穩定的截止狀態的過程稱為反向恢復過程，所需的時間稱為反向恢復時間，此參數是影響二極管開關速度的主要因素。

二極管的開通時間：二極管從原來穩定的截止狀態，在外加正偏電壓作用下轉換為穩定的導通狀態的過程稱為正向導通過程，所需的時間稱為開通時間。

實驗證明：二極管的開通時間遠小于反向恢復時間，因此對二極管的開關速度的影響很小。

2、三極管的開關特性：

①三極管的開關作用;

以NPN管組成的開關電路工作原理：

輸入UI=0V時，由于VBE=0，發射結零偏，所以三極管處于截止狀態，故可認為Ib=0，iC=0，VCE≈VCC，此時三極管的C，E之間近似于開路，相當于斷開的開關，Uo=+VCC。

當輸入UI=+5V時，發射結正偏，此時只要iB≥VCCΒrc，則三極管會處于飽和狀態，因此VBE=0.7V，VCE≤0.3V，三極管的C，E之間近似于短路，相當于閉合的開關，Uo≈0V。

以PNP管組成的開關電路工作原理：

輸入UI=0V時，此時發射結正偏，只要iB電流足夠大，則三極管處于飽和狀態，三極管的C，E之間近似于短路，相當于斷開的開關，Uo≈+VCC。

當輸入UI=+VCC時，由于VBE=0，發射結零偏，所以三極管處于截止狀態，此時三極管的C，E之間近似于開路，相當于閉合的開關，Uo≈0V。

②三極管的開關時間;

三極管在外接信號作用下，在截止狀態和飽和狀態之間的相互轉換，也要一定時間才能完成。

開通時間：是指三極管輸入開通信號瞬間開始至ic上升到0.9Ics所需的時間(ics：集電極飽和電流≈VCCRC)，它反映了三極管從截止到飽和所需要的時間。

關閉時間，是指三極管輸入關閉信號瞬間開始至ic下降到0.1Ics所需的時間。 它反映了三極管從飽和到截止所需的時間。

3、加速電容在三極管開關電路中的作用;

如圖所示，在原開關電路的基礎上在Rb兩端并聯一個電容CS，這個電容稱為加速電容，其加速開關電路的開關時間原理如下：

當輸入信號為正跳變瞬間，CS相當于短路，從而能夠提供一個很大的基極電流使三極管迅速進入飽和狀態，隨后電容CS充電，充滿后CS相當于開路，基極電流與CS無關。

當輸入信號為負跳變(5V→0V)瞬間，輸入端和發射極都是地電位，這時在正跳變存儲到電容的電荷為左⊕右Θ就直接加在發射結上，由于電容CS的放電作用，可以形成很大的反向基極電流，使三極管迅速截止。

由于加速電容在一定程度上可以起到加快開關速度的作用，在脈沖電路中廣泛采用。

加速電容CS的取值要求：

①頻率10KHz以下，CS=300~1000pF

②頻率f=100K~10MHz，CS=20~300pF

③頻率f>10~100pF

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