Układ kombinacyjny – stan wyjść zależy wyłącznie od stanu wejść. Stan wyjść opisują jedynie funkcje boolowskie, nie występuje sprzężenie zwrotne.

Do funkcjonalnych bloków kombinacyjnych zalicza się:

• Komutatory – multiplekser, demultiplekser;

• Konwertery kodów – koder, dekoder, transkoder;

• Bloki arytmetyczne – sumator, komparator, ALU.

W układach cyfrowych ma miejsce niekorzystne zjawisko, nazwane hazardem, którego podłożem jest niezerowy czas propagacji (rozchodzenia się) sygnałów. W układach synchronicznych zjawisko hazardu praktycznie nie występuje. Hazardem nazywamy błędne stany na wyjściach układów cyfrowych, powstające w stanach przejściowych (przełączania) w wyniku nieidealnych właściwości używanych elementów. Przyczyną są różnice w wartości sygnału i czasie dotarcia do określonego miejsca układu, w zależności od drogi. Skutki hazardu zależą od samego układu.

Hazard statyczny – chwilowa zmiana stanu wyjściowego układu występująca przy zmianie stanu jego wejścia wtedy, gdy wyjście powinno zostać niezmienione. Powstaje na skutek nieidealnych właściwości przełączających układu. Dzielimy go na:

• Hazard jedynki (hazard statyczny w warunkach działania) – chwilowa zmiana wyjścia 1-0-1 wtedy, gdy wyjście to powinno zostać niezmienione w stanie 1.

• Hazard zera (hazard statyczny w warunkach niedziałania) – chwilowa zmiana wyjścia 0-1-0 wtedy, gdy wyjście to powinno pozostać niezmienione w stanie 0.

Hazard dynamiczny – kilkukrotna zmiana stanu wyjścia przy zmianie stanu wejścia wtedy, gdy wyjście to powinno zmieniać swój stan tylko jeden raz i w nim pozostać, np. przy zmianie 1-0 następuje zmiana 1-0-1-0, lub przy zmianie 0-1 następuje zmiana 0-1-0-1. Powstaje na skutek nieidealnych właściwości transmisyjnych układu.

Układ sekwencyjny – stan wyjść  zależy od stanu wejść  oraz od poprzedniego stanu, zwanego stanem wewnętrznym, pamiętanego w zespole rejestrów (pamięci). Jeżeli stan wewnętrzny układu nie ulega zmianie pod wpływem podania na wejście różnych sygnałów , to taki stan nazywa się stabilnym.

Rozróżnia się dwa rodzaje układów sekwencyjnych:

1. asynchroniczne, zmiana sygnałów wejściowych  natychmiast powoduje zmianę wyjść . W związku z tym układy te są szybkie, ale jednocześnie podatne na zjawisko hazardu i wyścigu. Zjawisko wyścigu występuje, gdy co najmniej dwa sygnały wejściowe zmieniają swój stan w jednej chwili czasu (np. ). Jednak, ze względu na niezerowe czasy przełączania bramek i przerzutników, zmiana jednego z sygnałów może nastąpić nieco wcześniej niż innych, powodując trudne do wykrycia błędy. Dlatego też w analizie układów asynchronicznych uznaje się, że jednoczesna zmiana kilku sygnałów jest niemożliwa.

2. Synchroniczne zmiana stanu wewnętrznego następuje wyłącznie w określonych chwilach, które wyznacza sygnał zegarowy (ang. clock). Każdy układ synchroniczny posiada wejście zegarowe oznaczane zwyczajowo symbolami C, CLK lub CLOCK. Charakterystyczne dla układów synchronicznych jest to, iż nawet, gdy stan wejść się nie zmienia, to stan wewnętrzny – w kolejnych taktach zegara – może ulec zmianie.

Ponieważ w przypadku układu synchronicznego zrealizowanego, jako automat Moore'a, wyjście układu jest funkcją stanu wewnętrznego, może ono zmieniać się tylko w chwili nadejścia taktu, co daje gwarancję, że odpowiedni stan wyjść utrzyma się przez cały takt. W przypadku automatu Mealy'ego zmiana wyjścia układu może nastąpić także w momencie zmiany wejścia.

Jeśli układ reaguje na określony stan (logiczny) zegara, to mówi się, że układ jest statyczny (wyzwalany poziomem), jeśli zaś układ reaguje na zmianę sygnału zegarowego jest dynamiczny (wyzwalany zboczem). Układ dynamiczny może być wyzwalany zboczem (ang. edge) opadającym lub narastającym albo impulsem.

Jeśli układ synchroniczny nie ma wejść, a jedynie charakteryzuje go stan wewnętrzny, to taki układ nazywany jest autonomicznym – dobrym przykładem takich układów są liczniki stosowane w popularnych zegarkach elektronicznych.

A)automat Moore’a – wartości sygnałów wyjściowych zależą tylko od stanu w jakim układ się znajduje,
b). automat Mealy’ego – wartości sygnałów wyjściowych zmieniają się w czasie zmian sygnałów wejściowych, czyli zależą do stanu układu i sygnałów wejściowych.

Demultiplekser (w skrócie DEMUX) – układ kombinacyjny, posiadający jedno wejście x, n wejść adresowych (sterujących a0, a1, …, an-1) oraz k wyjść danych (y0, y1, …, yk-1, zazwyczaj k = 2n), którego działanie polega na przekazaniu sygnału z wejścia x na jedno z wyjść yi.

Wyjście, dla danych wejściowych x, jest określane przez podanie jego numeru na linie adresowe a0, a1, …, an-1. Na pozostałych wyjściach jest ustalany stan zera logicznego. Zazwyczaj spotykane są demultipleksery o wyjściach zanegowanych, czyli na wybranym wyjściu pojawi się stan , a na wszystkich pozostałych logiczna „1”. Demultipleksery o wyjściach prostych są znacznie rzadziej stosowane.

Jeśli na wejście strobujące (blokujące, ang. strobe) S podane zostanie logiczne „0”, to wyjścia yi przyjmują określony stan logiczny (zwykle zero dla demultiplekserów o wyjściach prostych), niezależny od stanu wejścia xoraz od wejść adresowych A.

S	x0	x1	y
0	1	1	1
		0	1
	0	1	0
		0	0
1	1	1	1
		0	0
	0	1	1
		0	0

Multiplekser (w skrócie MUX) – układ kombinacyjny, najczęściej cyfrowy, służący do wyboru jednego z kilku dostępnych sygnałów wejściowych i przekazania go na wyjście.

Multiplekser jest układem komutacyjnym (przełączającym), posiadającym k wejść informacyjnych (zwanych też wejściami danych x₀, x₁, …, x_k-1, zazwyczaj jest ich 2ⁿ), n wejść adresowych (sterujących a₀, a₁, …, a_n-1) i jedno wyjście y. Posiada też wejście sterujące działaniem układu oznaczane jako S (wejście strobujące, ang. strobe) lub e (ang. enable).

Działanie multipleksera polega na przekazaniu wartości jednego z wejść x_i na wyjście y. Numer i tego wejścia jest podawany na linie adresowe a₀, a₁, …, a_n-1. Jeśli na wejście strobujące (blokujące) S podane zostanie logiczne „0”, to wyjście y przyjmuje określony stan logiczny (zazwyczaj również zero), niezależny od stanu wejść danych X i adresowych A.

Tablica prawdy dla multipleksera z dwoma wejściami danych x_i i wejściem strobującym S:

Multiplekser można zbudować także z dekodera o takiej liczbie wejść, ile wejść adresowych posiada dany multiplekser oraz bramek AND. Do jednego wejścia każdej bramki AND należy podłączyć odpowiednie wyjście dekodera, do drugiego – odpowiednią linię wejściową x_i. Wyjścia wszystkich bramek AND należy podłączyć do wejść bramki OR.