數字觸發(fā)器原理與亞穩態(tài)特性

圖3.29是一個(gè)簡(jiǎn)化的數字觸發(fā)器原理圖。在這個(gè)例子中，為放大器提供了對稱(chēng)的正、負電壓。正反饋電路把電容C上的任何正電壓驅動(dòng)到電源正電壓，或者把電容C上的任何負電壓驅動(dòng)到電源負電壓。

當用時(shí)鐘驅動(dòng)時(shí)，電路會(huì )穩定在正電平狀態(tài)，或負電平狀態(tài)。所有的觸發(fā)器都這樣工作或具有類(lèi)似的工作原理。

圖3.29下面的部分是觸發(fā)器的時(shí)序圖。在時(shí)鐘驅動(dòng)時(shí)，開(kāi)關(guān)S2打開(kāi)很短一段時(shí)間。當S2打開(kāi)時(shí)，S1關(guān)閉，將電容C充電到輸入電壓VIN。當S2又一次關(guān)閉時(shí)，周期結束，通過(guò)R1的正反饋使放大器飽和，達到高電路使狀態(tài)或低電平狀態(tài)，并保持不變。

芯片生產(chǎn)商通過(guò)各種各樣的電路使得S2和S1的時(shí)序很好地配合。但是無(wú)論采用什么樣的電路，觸發(fā)器總會(huì )出現來(lái)亞穩態(tài)效應。

如果輸入信號是二進(jìn)制邏輯信號，則它必然一直處于完全高電平狀態(tài)，或者完全低電平狀態(tài)。當S1關(guān)閉時(shí)，該觸發(fā)器放大器一旦進(jìn)入到某種狀態(tài)，就會(huì )使電路一直保持在某個(gè)狀態(tài)，或者另外一個(gè)狀態(tài)。

如果觸發(fā)器的時(shí)鐘與輸入信號同時(shí)發(fā)生變化會(huì )怎么樣呢？當S1關(guān)閉時(shí)，電容C充電，電壓隨輸入信號的變化而變化。當打開(kāi)S1時(shí)，電容C會(huì )操持在開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)刻的充電電壓。當S1打開(kāi)時(shí)，如果數據輸入正發(fā)生變化，我們可能在電容C上鎖存一個(gè)接近零的電壓。這看起來(lái)不是很像二進(jìn)制。

觸發(fā)器的建立和保持時(shí)間要求當S1打開(kāi)時(shí)，數據不能發(fā)生變化。在同步數字系統內部，我們能夠保證這些要求得到滿(mǎn)足。而與外部的異步信號進(jìn)行接口時(shí)，則不能阻止信號的時(shí)鐘沿發(fā)生變化。

當開(kāi)關(guān)S2關(guān)閉時(shí)，放大器從一個(gè)狀態(tài)轉變到另外一個(gè)狀態(tài)所需要的時(shí)間取決于電壓VCO從那一刻起，放大器電壓的變化按指數函數變化，輸出電壓等于：

K是一個(gè)時(shí)間常數，與放大器帶寬和反饋器件值有關(guān)。

如果輸入電壓在采樣時(shí)刻碰巧接近于零，那么輸出從一個(gè)電源端或另一個(gè)電源端斷開(kāi)可能會(huì )花費很長(cháng)時(shí)間。這個(gè)變化過(guò)程稱(chēng)為亞穩態(tài)。

因為隨后的邏輯轉換需要達到90%以滿(mǎn)足電壓容限，因此在斷定鎖存操作完成之前必須等待放大器的響應完成。

如果輸入電壓距離零電平很接近，嚴穩態(tài)延遲時(shí)間可能會(huì )很長(cháng)。如果嚴穩態(tài)時(shí)間為T(mén)秒，則輸入電壓和零電平之間應該相差多少呢？

將上式變換一下，設為在T時(shí)刻到達電源電壓：

其中，VIN=輸入電壓與零電平之差
T=亞穩態(tài)延遲時(shí)間
K=取決于放大器和開(kāi)關(guān)的時(shí)間常數
VCC=電源電壓

上式在采樣點(diǎn)處建立了輸入電壓和判決時(shí)間T之間的關(guān)系。判決時(shí)間指的是從觸發(fā)器得到響應必須等待多長(cháng)的時(shí)間。

用輸入信號的上升時(shí)間，可以將電壓VIN轉換為時(shí)間偏移量。對于接近零電平的信號，其波形與上升沿變化率的斜率真成線(xiàn)性關(guān)系。如果輸入信號的轉換在時(shí)刻TW以?xún)?，其輸入電壓將?huì )在VIN以?xún)龋?/font>

下式把結果都轉換到時(shí)域當中，給出了輸入信號到達時(shí)刻和等待響應時(shí)間之間的關(guān)系。

將式（）中的VIN代入式（）得到：

如果數據信號的上升沿在亞穩態(tài)窗口正負TW之外到達，輸出延時(shí)會(huì )小于T稱(chēng)。如果數據信號的上升沿在亞穩態(tài)窗口正負TW之內到達，輸出數據的延時(shí)會(huì )大于T秒。

所有的觸發(fā)器會(huì )都表現出亞穩態(tài)的特性，其亞穩態(tài)窗口可以表述為：

常數C和K是所用的特定觸發(fā)器的屬性，而T是判決時(shí)間。