Комбинационной схемой называется сеть из логических элементов, реализующая некоторый комбинационный автомат. Следовательно, комбинационная схема реализует однозначное соответствие между значениями входных и выходных сигналов. В отличие от сети из элементарных комбинационных автоматов – эта схема построена на реальных логических элементах.
Под Логическим Элементом (ЛЭ) будем понимать реализацию элементарного комбинационного автомата из некоторого автоматного базиса.
Логические элементы, используемые при синтезе комбинационных автоматов, по своим характеристикам отличаются от абстрактных элементарных комбинационных автоматов тем, что:
1. Каждый ЛЭ функционирует во времени, чем вносит задержку в распространение сигнала в схеме.
2. Каждый ЛЭ вызывает не мгновенное изменение сигнала на выходе, как это принято считать для дискретных функций, а изменение выходного сигнала занимает некоторое время.
Рассмотрим модель ЛЭ инвертора.

Представим модель этого ЛЭ в виде временных диаграмм.

где t зд1,2 – время от смены сигнала на входе, до начала смены сигнала на выходе; tВН,НВ – время смены выходного сигнала.
Рассмотрим подробнее участок перехода выходного сигнала от высокого уровня к низкому уровню:

Принято считать, что сигнал высокого уровня, если он больше 0,9?Umax и сигнал низкого уровня, если он меньше 0,1? Umax .Знак ? означает, что имеется ввиду амплитуда выходного сигнала.
Например, Umax=1В, но сигнал никогда не достигает этого уровня, а принимает значение не больше 0,75В. Тогда, такой сигнал, считается сигналом высокого уровня, если его значение больше 0,75*0,9=0,675В.
Величина – длительность нахождения сигнала в состоянии низкого уровня.
Иногда принято использовать интегральные параметры:
A. Среднее время распространения задержки сигнала

B. Среднее время перехода

Мы можем абстрагироваться от процессов перехода ЛЭ между состояниями и рассматривать модель как элемент с задержкой.

Переходные процессы в комбинационных схемах
Переходные процессы – это явление изменения во времени состояния выхода комбинационной схемы при установившихся значениях входных сигналов.
Состязания ЛЭ (гонки, явление риска) – это переходный процесс в комбинационной схеме, при котором наблюдаются не одновременные изменения выходных сигналов при одновременном изменении входных сигналов.
Например, рассмотрим комбинационную схему с двумя входами и двумя выходами. Эта схема должна пропускать сигнал с первого входа без изменений и инвертировать сигнал, поступающий со второго входа.

Как видно из рисунка, сигналы на входе изменяются одновременно, а на выходе второй сигнал запаздывает на некоторое время. Очевидно, что в это время схема возвращает ложное значение сигнала.
Рассмотрим причину возникновения состязания ЛЭ.

Пример. Схема имеет три входа и один выход.
Пусть сигнал x2 постоянен и равен 1.

Будем считать, что все логические элементы имеют разные времена задержки, т.е. tзд1? tзд2? tзд3.
Представим модель схемы в виде временных диаграмм.

Очевидно, что состязания наступают когда tзд1>tзд2.
Представим модель схемы в виде булевой функции:

Если x2=1, то

Критическими состязаниями называются состязания ЛЭ при которых на выходе комбинационной схемы появляются кратковременные ложные значения выходного сигнала. (Например, на выходе схемы возникает ситуация, когда y=0, хотя в это время x1=1.)
Синтез комбинационных схем, свободных от критических состязаний.
Ранее была показана возможность появления на выходах комбинационных схем ложных значений сигналов, что приводит к неправильной работе устройства.
Комбинационная схема называется свободной от состязаний, если в ней при соседних изменениях состояний входа отсутствуют критические состязания ЛЭ.
Соседние изменения состояния входа – это только те изменения входных сигналов, которые встречаются при функционировании дискретного устройства. (Например, для ранее рассмотренной схемы критического состязания может не произойти, если x1=0, а x3=1.)
Одним из способов борьбы с критическими состязаниями является использование такого кодирования алфавита автомата, при котором соседнее изменение состояния входа реализуется в виде изменения одного сигнала. Например, можно использовать код Грея.
Например:

Очевидно, для схем имеющих один выход, обеспечив изменение одного сигнала на входе, мы обеспечим избавление от ложных сигналов на выходе. Но если выходов несколько, то могут возникнуть критические состязания.