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(wei) 數字電路。 由於(yu) 它具有邏輯運算和邏輯處理功能，所以又稱為(wei) 數字邏輯電路。 現代的數字電路由半導體(ti) 工藝製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：輸出值隻與(yu) 時的輸入值有關(guan) ，即輸出惟一地由當時的輸入值決(jue) 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(yu) 電阻性電路，如編碼器，譯碼器，數據選擇器，加法器…… 等都屬於(yu) 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(yu) 組合邏輯電路最本質的區別在於(yu) 時序電路具有記憶功能。 特點是：輸出不僅(jin) 取決(jue) 於(yu) 當時的輸入值，而且還與(yu) 電路過去的狀態有關(guan) ，類似於(yu) 含儲(chu) 能功能的電容或電感電路，如觸發器、寄存器、鎖存器、計數器…… 等都屬於(yu) 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

數字電路是以二進製邏輯代數為(wei) 數學基礎，使用二進製數字信號(矩形波)，既能進行算術運算又能方便地進行邏輯運算(與(yu) 、或、非等)因此極其適合於(yu) 運算、比較、存儲(chu) 、傳(chuan) 輸、控製…… 等應用。

<2>、實現簡單，係統可靠

以二進製作為(wei) 基礎的數字邏輯電路，具有簡單可靠，準確高的優(you) 點。

<3>、集成度高、功能實現容易

集成度高，體(ti) 積小，功耗低是數字電路突擊的優(you) 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(cong) 元件級、器件級、部件級、板卡級上升到係統級。

電路的設計組成隻需要采用一些標準的集成電路塊單元連接而成。 對於(yu) 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(ti) 管的工作狀態

在模擬電子線路中，專(zhuan) 門研究的是如何進行放大，控製和振蕩，電路中的三極管一般工作於(yu) 放大區，標準信號一般為(wei) 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(yu) 輸出之間的邏輯關(guan) 係，其邏輯關(guan) 係的結果用0或1表示，電路中的晶體(ti) 管多數工作於(yu) 開關(guan) 狀態，即飽和區或截止區，一般標準信號為(wei) 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、脈衝(chong) 基礎知識

1、脈衝(chong) 的概念及其波形

如圖所示為(wei) 簡單的脈衝(chong) 發生器電路，設開關(guan) S原先(初始時)是打開的，電阻兩(liang) 端電壓UR=0。 若在t1時刻接通開關(guan) S，則電阻R兩(liang) 端電壓將從(cong) 0突然跳變到近於(yu) 電源電壓VG，即UR=VG; 若在t2時刻，突然斷開開關(guan) S，則電阻R兩(liang) 端電壓將從(cong) VG又突然跳變到0，即UR=0，同理不斷的通斷開關(guan) S，則R兩(liang) 端的電壓就會(hui) 如圖所示波形變化，這就是一串脈衝(chong) 信號。

 

瞬間突然變化，作用時間極短的電壓或電流就稱為(wei) 脈衝(chong) 信號。 簡稱脈衝(chong) ，脈衝(chong) 信號可以是周期性重複的，也可以是非周期性的或單次的。

幾種常見的脈衝(chong) 信號波形：

 

2、矩形脈衝(chong) 波的幾個(ge) 參數

 

①脈衝(chong) 幅度(值)Um：脈衝(chong) 電壓變化的最大值。

②脈衝(chong) 周期T：周期性脈衝(chong) 相鄰兩(liang) 脈衝(chong) 波對應間隔的時間。 它的倒數就是頻率f=1T。

③脈衝(chong) 寬度tp，指脈衝(chong) 上升沿和下降沿幅值為(wei) 50%處的時間寬度，它與(yu) 脈衝(chong) 周期之間的比值稱為(wei) 占空比。

④上升沿時間tr：脈衝(chong) 從(cong) 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：脈衝(chong) 從(cong) 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(yu) 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(wei) 電容的充放電過程需要一定的時間，所以RC電路從(cong) 一個(ge) 穩定狀態轉向另一個(ge) 穩定狀態是不會(hui) 突變的，它必須經曆一個(ge) 過渡過程。

①RC電路的充電過程

 

設初始時，開關(guan) S閉合於(yu) B點，電容C上沒有電荷，所以Uc=0，當S由B合向A後，電源VG通過R向C充電，根據電容的基本特性電容器兩(liang) 端的電壓不能突變，在充電開始瞬間，Uc=0(幾乎等於(yu) 短路)，此時充電電流最大。 因此ic=VGR，電阻R兩(liang) 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(wei) UR=VG-Uc，ic=VRR=(VG-Vc)R，所以ic就下降，到最後，U=VG，ic≈0,此時充電過程結束。

充電時電容兩(liang) 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(yu) R和C的大小有關(guan) ：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(yu) 水管的大小舉(ju) 例)

R與(yu) C的乘積稱為(wei) 電路的時間常數τ=RC，若R的單位為(wei) Ω，C的單位為(wei) F，則τ單位為(wei) 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(wei) 充電結束。

 

③RC電路的放電過程

 

在電容器充電結束後，開關(guan) 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(ge) 過程，所以電容兩(liang) 端的電壓Vc仍為(wei) VG，這時放電電流ic為(wei) 最大，由於(yu) 充電電流與(yu) 放電電流相反，所以ic=-VGR。 隨後Uc逐漸下降，ic也跟著反向下降，最後Uc=0，ic=0，ic取負值表示放電電流與(yu) 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(liang) 端

電路的時間常數τ應遠大於(yu) 輸入矩形脈衝(chong) 寬度tp

把矩形波變換為(wei) 近似的三角波(鋸齒波)

②電路工作原理

 

設輸入信號UI為(wei) 矩形脈衝(chong) 波，當UI由0跳邊到Vm時，相當於(yu) 電路的輸入端接了一個(ge) 電源電壓Vm，電容C開始充電，Uc以指數規律上升。 由於(yu) Τrc>tp，所以電容C的充電過程緩慢，在t1-t2時刻內(nei) ，Uc的上升隻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(wei) 矩形波，通過積分電路滿足條件，輸出可以變換為(wei) 近似三角波(鋸齒波)。

③應用;

對脈衝(chong) 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(cong) 寬窄不同的脈衝(chong) 串中，把寬脈衝(chong) 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(liang) 端。

電路的時間常數τ應遠小於(yu) 輸入矩形波脈衝(chong) 波寬度tp。

把矩形波變換為(wei) 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(wei) Vm，從(cong) 圖可知，輸出電壓Uo=UI-Uc，而初始時Uc=0(因為(wei) 電容電壓不能突變)。 故Uo=UI=Vm，因此Uo也從(cong) 0跳變至Vm。

 

在t1至t2時間內(nei) ，UI處於(yu) 脈衝(chong) 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，又由於(yu) τ=RC遠小於(yu) 輸入矩形脈衝(chong) 波的脈衝(chong) 寬度tp，所以Vc很快充到Vm，Uo很快下降到0，Uo形成了一個(ge) 正的尖峰波。

在t=t2時，UI由Vm跳變到0，輸入端相當於(yu) 短路，由於(yu) 電容兩(liang) 端電壓不能突變，此瞬間電容兩(liang) 端電壓Uc仍為(wei) Vm，而Uo=UI-Vc=0-Vm=-Vm，所以Uo=- Vm在t2至t3時間內(nei) ，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，於(yu) 是Uo形成了一個(ge) 負的尖峰波。

③應用;

對脈衝(chong) 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(guan) 電路的開關(guan) 速度。

4、RC電路的兩(liang) 個(ge) 常用電路;

 

四、半導體(ti) 器件的開關(guan) 特性;

在脈衝(chong) 電路中，經常把二極管和三極管作為(wei) “開關(guan) ”使用，當二極管正向導通和三極管飽和導通時，相當於(yu) 一個(ge) “開關(guan) ”處於(yu) 接通狀態; 反之，當二極管或三極管截止時，則相當於(yu) “開關(guan) ”處於(yu) 斷開狀態。 二極管和三極管在脈衝(chong) 電路中作為(wei) “開關(guan) ”使用時，我們(men) 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(guan) 特性;

①二極管的開關(guan) 作用

 

當外加正向電壓(矽管>0.7V，鍺管>0.3V)時，二極管導通，相當於(yu) 閉合開關(guan) 串接管壓降UD(矽管0.7V，鍺管0.3V)。 如果外加電壓遠大於(yu) UD，則可忽略UD的影響，電阻兩(liang) 端電壓約等於(yu) 輸入的電壓。

當外加反向電壓【或正向電壓很小(矽管<0.5V，鍺管<0.1V)】時，二極管截止，相當於(yu) 斷開的開關(guan) ，電阻兩(liang) 端的電壓約等於(yu) 0。

②二極管的開關(guan) 時間;

二極管的反向恢複時間：二極管加反向偏置電壓從(cong) 原來穩定的導通狀態轉換為(wei) 穩定的截止狀態的過程稱為(wei) 反向恢複過程，所需的時間稱為(wei) 反向恢複時間，此參數是影響二極管開關(guan) 速度的主要因素。

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

實驗證明：二極管的開通時間遠小於(yu) 反向恢複時間，因此對二極管的開關(guan) 速度的影響很小。

2、三極管的開關(guan) 特性：

①三極管的開關(guan) 作用;

 

以NPN管組成的開關(guan) 電路工作原理：

輸入UI=0V時，由於(yu) VBE=0，發射結零偏，所以三極管處於(yu) 截止狀態，故可認為(wei) Ib=0，iC=0，VCE≈VCC，此時三極管的C，E之間近似於(yu) 開路，相當於(yu) 斷開的開關(guan) ，Uo=+VCC。

當輸入UI=+5V時，發射結正偏，此時隻要iB≥VCCΒrc，則三極管會(hui) 處於(yu) 飽和狀態，因此VBE=0.7V，VCE≤0.3V，三極管的C，E之間近似於(yu) 短路，相當於(yu) 閉合的開關(guan) ，Uo≈0V。

以PNP管組成的開關(guan) 電路工作原理：

輸入UI=0V時，此時發射結正偏，隻要iB電流足夠大，則三極管處於(yu) 飽和狀態，三極管的C，E之間近似於(yu) 短路，相當於(yu) 斷開的開關(guan) ，Uo≈+VCC。

當輸入UI=+VCC時，由於(yu) VBE=0，發射結零偏，所以三極管處於(yu) 截止狀態，此時三極管的C，E之間近似於(yu) 開路，相當於(yu) 閉合的開關(guan) ，Uo≈0V。

②三極管的開關(guan) 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(cong) 截止到飽和所需要的時間。

關(guan) 閉時間，是指三極管輸入關(guan) 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(cong) 飽和到截止所需的時間。

3、加速電容在三極管開關(guan) 電路中的作用;

 

如圖所示，在原開關(guan) 電路的基礎上在Rb兩(liang) 端並聯一個(ge) 電容CS，這個(ge) 電容稱為(wei) 加速電容，其加速開關(guan) 電路的開關(guan) 時間原理如下：

當輸入信號為(wei) 正跳變瞬間，CS相當於(yu) 短路，從(cong) 而能夠提供一個(ge) 很大的基極電流使三極管迅速進入飽和狀態，隨後電容CS充電，充滿後CS相當於(yu) 開路，基極電流與(yu) CS無關(guan) 。

當輸入信號為(wei) 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(chu) 到電容的電荷為(wei) 左⊕右Θ就直接加在發射結上，由於(yu) 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。

由於(yu) 加速電容在一定程度上可以起到加快開關(guan) 速度的作用，在脈衝(chong) 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