數位電子學 - 組合電路

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組合電路，也稱為組合邏輯電路，是一種數位電子電路，其輸出僅由當前輸入決定。

組合邏輯電路的輸出不依賴於電路操作的歷史。換句話說，組合電路是一種數字邏輯電路，其輸出僅取決於當前的輸入值，而不依賴於任何反饋或先前的輸入或輸出值。

在本章中，我們將解釋組合電路的基礎知識，以及它的框圖、型別和應用。所以，讓我們從組合電路的基本定義開始。

什麼是組合電路？

組合電路是一種數字邏輯電路，其輸出僅取決於當前的輸入值，而不依賴於過去的輸入和輸出值。因此，組合電路被認為在其電路中不包含儲存先前輸入和輸出的儲存單元。相反，它包含一定數量的輸入線以應用當前輸入值，以及一定數量的輸出線。

組合電路最重要的特徵是它在輸入和輸出之間沒有任何反饋路徑。因此，組合電路可以歸類為開環系統。

組合電路的框圖

下圖描述了組合邏輯電路的框圖。

在這裡，我們可以看到組合電路的電路圖中只有三個關鍵元素，它們是 -

• 輸入線 - 輸入線用於將輸入值輸入到組合電路中。
• 處理單元 - 它是根據電路型別處理輸入值的主要元素。例如，全加器對三個二進位制位進行加法運算。
• 輸出線 - 輸出線用於獲取電路生成的輸出結果。

組合電路的特性

以下是組合電路的主要特性 -

• 組合電路的輸出在任何時間點都僅取決於該時間點的當前輸入值。
• 組合電路在其電路中不使用任何型別的儲存單元。因此，輸入和輸出值的先前狀態對電路的當前操作沒有任何影響。
• 組合電路的輸出可以使用其邏輯運算和輸入值完全預測。
• 組合電路對任何輸入值的改變都會產生瞬時輸出。

組合電路的型別

在數位電子學中，組合電路是數字系統的重要組成部分。根據執行的功能，組合電路有多種型別。下面解釋了一些常見的組合電路型別及其功能 -

• 二進位制加法器
• 二進位制減法器
• 多路複用器（MUX）
• 多路分解器（DEMUX）
• 編碼器
• 譯碼器
• 比較器

在本章的後續部分，我們將簡要討論每種組合電路及其功能。

二進位制加法器

二進位制加法器是一種組合電路，用於執行二進位制數字或位的加法運算。根據設計和配置，二進位制加法器有兩種型別：半加器和全加器。

半加器

半加器是一種組合邏輯電路，有兩個輸入和兩個輸出。半加器電路設計用於新增兩個單位元二進位制數A和B。它是兩個單位元數加法的基本構建塊。該電路有兩個輸出，分別是和與進位。

全加器

全加器旨在克服半加器的缺點，即只能新增兩個位元。因此，全加器是一個三輸入和兩個輸出的組合電路。其中，輸入是兩個一位數A和B，以及來自先前加法的進位C。輸出是和與進位輸出。

二進位制減法器

二進位制減法器是一種組合邏輯電路，用於從另一個二進位制數中減去一個二進位制數。與二進位制加法器類似，二進位制減法器也有兩種型別：半減器和全減器。

半減器

半減器是一個組合電路，有兩個輸入（A和B）和兩個輸出（差和借位）。它產生兩個輸入二進位制位之間的差，併產生一個輸出（借位）以指示是否已借用1。在二進位制減法（A-B）中，A稱為被減數位，B稱為減數位。

全減器

全減器也是一個組合電路，具有三個輸入A、B和B_in，以及兩個輸出D和B_out。

這裡，A是被減數位，B是減數位，B_in是前一級的借位，D是差輸出，B_out是借位輸出。

多路複用器（MUX）

多路複用器是一種特殊的組合邏輯電路。它由n個數據輸入線、一個輸出和m個選擇線組成。對於多路複用器，n = 2^m。

多路複用器是一種數位電路，它選擇n個數據輸入中的一個並將它路由到輸出線。n個數據輸入中的一個的選擇是由選擇線完成的。根據施加到選擇線的數字程式碼，選擇“n”個數據輸入中的一個並將其傳輸到輸出線。

在某些多路複用器中，還有一個使能輸入E，它在級聯多個多路複用器時非常有用。

根據輸入線的數量，可以有多種型別多路複用器。一些常見的多路複用器型別包括2:1多路複用器、4:1多路複用器、16:1多路複用器和32:1多路複用器。

多路分解器（DEMUX）

多路分解器執行分配操作，即它接收一個數據輸入並將其分配到多個輸出線上。

多路分解器只有一個輸入線，“n”個輸出線和“m”個選擇線。在任何時間，只有一個輸出線被施加到選擇線的數字程式碼選擇，並且資料輸入被傳輸到選定的輸出線。

多路分配器可以根據輸出線的數量分為多種型別。一些常用的多路分配器型別包括：1:2 多路分配器、1:4 多路分配器、1:16 多路分配器和 1:32 多路分配器。

編碼器

編碼器是一種組合邏輯電路，旨在將資訊轉換為二進位制程式碼。編碼器具有n條輸入線和m條輸出線，其中n = 2^m。

編碼器根據施加在其上的數字輸入生成一個 m 位二進位制程式碼。換句話說，編碼器接收一個 n 位數字字並將其轉換為另一個 m 位數字字。

編碼器的例子包括 4-2 編碼器、八進位制-二進位制編碼器、十六進位制-二進位制編碼器、優先編碼器等。

譯碼器

譯碼器是一種組合邏輯電路，它將二進位制程式碼轉換為普通字，例如十進位制數字。譯碼器通常由n條輸入線和m條輸出線組成，其中m = 2ⁿ。

譯碼器廣泛應用於顯示驅動器、資料分配系統等。

一些常用的譯碼器型別有 2 到 4 譯碼器、3 到 8 譯碼器、4 到 16 譯碼器、BCD 到七段譯碼器等。

比較器

比較器是一種組合邏輯電路，用於比較兩個二進位制數。比較器主要用於算術和控制電路中執行比較或邏輯運算。

顧名思義，比較器比較輸入值並檢查它們是否相等，或者一個輸入是否大於/小於另一個輸入。

組合邏輯電路的侷限性

組合邏輯電路具有多個優點，例如執行速度快、電路簡單、操作可預測等。但是，它們也有一些侷限性，其中一些列在下面 -

• 組合邏輯電路沒有任何儲存單元。它們無法儲存電路操作的歷史記錄。
• 組合邏輯電路不能用於實現某些高度複雜的邏輯功能。
• 組合邏輯電路沒有任何反饋機制。這使得組合邏輯電路的功能有限。
• 在大型規模下，組合邏輯電路存在一些設計複雜性，可能導致效能下降和資源利用效率低下。

組合邏輯電路的應用

組合邏輯電路是各種數字裝置和系統中的基本構建塊。它們廣泛應用於多種數字裝置中，其中使用了組合邏輯電路 -

• 微處理器和微控制器
• 數字計算機
• 計算器
• 數字通訊系統
• 鍵盤
• 智慧手機和數字手錶等

結論

組合邏輯電路是各種數字裝置和系統中的關鍵元件。它可以定義為一個互連的數字元件系統，其輸出僅取決於輸入的當前狀態，而不依賴於過去的輸入和輸出值。

在本章中，我們解釋了組合邏輯電路的特性、侷限性和應用。