如何測量亞穩態(tài)

圖3.27所示的是一個(gè)觀(guān)察D觸發(fā)器亞穩態(tài)的電路圖。使用這個(gè)電路至少需要一個(gè)雙通道示波器。

CLKA的波形是一個(gè)方波，通過(guò)R1與C1和C2的兩個(gè)支路被延遲。如果將R1的觸點(diǎn)向DATA輸出方向進(jìn)行調整，CLK的輸出延遲會(huì )達到最大值。如果將R1的觸點(diǎn)向CLK輸出的方向進(jìn)行調整，DATA的輸出延遲會(huì )達到最大值。DATA和CLK之間的相對位置的可調整范圍在正負15NS之間。

復位的波形在每個(gè)時(shí)鐘上升沿之后產(chǎn)生一個(gè)負電平有效的復位脈沖。這個(gè)復位信號使觸發(fā)器在每個(gè)周期到來(lái)之前是一個(gè)固定的狀態(tài)?？梢杂媒?jīng)過(guò)延遲的時(shí)鐘信號作為復位信號。

圖3.27中的所有主要信號都用21：1的探頭通過(guò)1K的電阻連接。首先將示波器連接到DATA的CLK信號。

將反饋回路開(kāi)關(guān)S1打開(kāi)，并將電位器觸點(diǎn)逐漸由數據最小延遲變化到數據最大延遲。將DATA和CLK之間的時(shí)序關(guān)系相對于電位器的設置大致畫(huà)出一個(gè)草圖。將電位器進(jìn)行大范圍調整，并觀(guān)察得到的結果。在最小數據延遲時(shí)，數據應該在要求的最小上升時(shí)間之前到達。在最大數據延遲時(shí)，數據應該直到最小保持時(shí)間過(guò)去之后，才會(huì )變化。

計算一下電位器每一匝的變化得到的時(shí)延調整。

現在將示波器連接到CLK和Q。把DATA同軸電纜同一個(gè)50歐的電阻端接，這樣它的響應就不會(huì )發(fā)生變化。使示波器通過(guò)CLK信號來(lái)觸發(fā)，調整電位器，得到最小的數據延時(shí)。

起初，D輸入端滿(mǎn)足建立時(shí)間的要求，而Q輸出的響應波形如同Q1，如圖3.27所示，每個(gè)時(shí)鐘到來(lái)時(shí)Q輸出都變成高電平(HI)，而每當R時(shí)刻到來(lái)時(shí)，Q輸出都被復位到低電平(。不要用時(shí)鐘的反相信號復位觸發(fā)器，否則由復位信號產(chǎn)生的電平變化會(huì )同來(lái)穩態(tài)效果混在一起。

調整觸點(diǎn)，使數據延遲，直到把它調到數據所需的最小建立時(shí)間窗口之后，在某一點(diǎn)時(shí)，Q輸出會(huì )突然發(fā)生變化。這時(shí)，數據到達的時(shí)間太晚了，Q輸出不會(huì )再轉換為HI，如同圖3.27所示的Q2一樣。觸發(fā)器不能在上升沿處鎖存D輸入的這個(gè)點(diǎn)，稱(chēng)為臨界轉換點(diǎn)。臨界轉換點(diǎn)位于觸發(fā)器生產(chǎn)商標定的最小上升時(shí)間和保持時(shí)間之間。生產(chǎn)商會(huì )將這兩個(gè)值的標定略加放寬，以保重在一個(gè)很大的溫度范圍之內，這個(gè)臨界轉換點(diǎn)都會(huì )落于這個(gè)限制之間。

臨界轉換點(diǎn)之前到達的數據似乎總是可以被鎖存，臨界轉換點(diǎn)之后到達的數據似乎總是鎖存不到。這不是我們想要的嗎?沒(méi)錯，但我們必須進(jìn)一步理解亞穩態(tài)問(wèn)題的實(shí)質(zhì)。

圖3.28繪出了由該電路得到的值，比較了觸發(fā)器時(shí)鐘到Q輸出的延遲與測量到的數據建立時(shí)間，在這個(gè)圖中，時(shí)間刻度用對數標尺顯示了實(shí)際數據建立時(shí)間與臨界轉換點(diǎn)時(shí)間之間的差。無(wú)論何時(shí)，當數據在臨界轉換點(diǎn)3NS之前提前到達時(shí)，時(shí)鐘到Q延遲總是保持13.5NS不變。當數據向臨界轉換邊界移動(dòng)時(shí)，Q輸出仍然會(huì )變成高電平，但是時(shí)鐘到Q延遲會(huì )變長(cháng)。當數據到達時(shí)間非常接近臨界轉換點(diǎn)時(shí)，Q延遲與數據上升時(shí)間與臨界轉換點(diǎn)之差的對數成正比。

該時(shí)鐘到輸出延遲的增加值是輸入信號建立時(shí)間的函數，這種增加是亞穩態(tài)特性的實(shí)質(zhì)。你不能在這個(gè)點(diǎn)附近工作，所有的觸發(fā)器都一樣，它會(huì )使高速同步設計遭到破壞。解決這個(gè)問(wèn)題的最好方法是心量減少它的發(fā)生，但永遠無(wú)法消除它。

時(shí)鐘到輸出延遲究竟通達到多大呢?這要看數據離臨界轉換點(diǎn)有多遠。