數(shù)字電路的基礎知識

一、數(shù)字電路概述

用數(shù)字信號完成對數(shù)字量進行邏輯運算和算術運算的電路稱為數(shù)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(shù)字邏輯電路。 現(xiàn)代的數(shù)字電路由半導體工藝制成的數(shù)字集成器件構造而成。 邏輯門是數(shù)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(shù)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(tài)隨著輸入狀態(tài)的變化而變化，類似于電阻性電路，如編碼器，譯碼器，數(shù)據(jù)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(fā)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(qū)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(tài)有關，類似于含儲能功能的電容或電感電路，如觸發(fā)器、寄存器、鎖存器、計數(shù)器…… 等都屬于此類電路。

2、數(shù)字電路的特點

<1>、同時具有算術運算和邏輯運算功能

數(shù)字電路是以二進制邏輯代數(shù)為數(shù)學基礎，使用二進制數(shù)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(xiàn)簡單，系統(tǒng)可靠

以二進制作為基礎的數(shù)字邏輯電路，具有簡單可靠，準確高的優(yōu)點。

<3>、集成度高、功能實現(xiàn)容易

集成度高，體積小，功耗低是數(shù)字電路突擊的優(yōu)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(fā)展，數(shù)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(guī)模集成電路(SSI)、中規(guī)模集成電路(MSI)、大規(guī)模集成電路(LSI)、超大規(guī)模集成電路(VLSI)的發(fā)展也從元件級、器件級、部件級、板卡級上升到系統(tǒng)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(xiàn)任意的邏輯功能。

<4>、數(shù)字電路中晶體管的工作狀態(tài)

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(qū)，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(shù)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(shù)工作于開關狀態(tài)，即飽和區(qū)或截止區(qū)，一般標準信號為方波或矩形波，分析的方法是邏輯代數(shù)，表達電路的功能主要有邏輯函數(shù)，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(fā)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(shù)

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(shù)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(wěn)定狀態(tài)轉向另一個穩(wěn)定狀態(tài)是不會突變的，它必須經(jīng)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(jù)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(shù)規(guī)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)規(guī)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(shù)函數(shù)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(shù)規(guī)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(xiàn)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(shù)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?yōu)閂m，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(shù)規(guī)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(jīng)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(tài); 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(tài)。 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(tài)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(wěn)定的導通狀態(tài)轉換為穩(wěn)定的截止狀態(tài)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(shù)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(wěn)定的截止狀態(tài)，在外加正偏電壓作用下轉換為穩(wěn)定的導通狀態(tài)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(fā)射結零偏，所以三極管處于截止狀態(tài)，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(fā)射結正偏，此時只要iB≥VCCΒrc，則三極管會處于飽和狀態(tài)，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(fā)射結正偏，只要iB電流足夠大，則三極管處于飽和狀態(tài)，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(fā)射結零偏，所以三極管處于截止狀態(tài)，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(tài)和飽和狀態(tài)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(lián)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(tài)，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(fā)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(fā)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