Signallaufzeit
Die mittlere Signallaufzeit bzw. Gatterlaufzeit (abgekürzt mit tpd) ist ein wichtiges Merkmal zur Beurteilung der digitalen Schaltkreise. Diese Zeit ist nicht nur hinsichtlich der Betriebsgeschwindigkeit, sondern auch hinsichtlich der Störungsbedingungen von Bedeutung.
Ändert sich der logische Pegel am Eingang eines digitalen Gatters, dann wird die Änderung erst nach einer gewissen Zeitverzögerung am Ausgang sichtbar. Typischerweise ist die Steilheit der Ausgangsflanke nicht vergleichtbar mit der vom Eingang. Ursache hierfür ist der kombinierte Effekt der Eigenkapazitäten Ct der internen Schaltungskomponenten und der externen Beschaltung am Ausgang. Die Definition der Gatterlaufzeit soll Anhand der folgenden Abbildung beschreiben werden:
Abb. 1 - Diagramm zur Signallaufzeit
Die Abbildung zeigt die beiden Zeiten tpdl und tpdh, wobei typischerweise tpdh > tpdl ist. Die beiden Zeitwerte werden durch Referenzpunkte definiert, welche in der Abbildung den Spannungwert Uref besitzen. Laut definition liegt der Spannungswert für Uref üblicherweise bei 50%1. Für die im Datenbuch verwendeten Prüfschaltungen der FZ 100 LSL-Serie wurde jedoch eine abweichende Referenzspannung von 4,5V gewählt2.
Um die durchschnittliche bzw. mittlere Signallaufzeit tpd zu ermitteln werden die beiden Zeitwerte tpdf und tpdh wie folgt verwendet:
tpd = (tpdl+tpdh)/2
Die Gatterlaufzeit ist von der Größe der Versorgungsspannung des Logikelements, dem Wert der geschalteten Kapazität, der ohmschen Last am Ausgang und in Teilen von der Temperatur abhängt. Wenn die kapazitive Belastung zunimmt (insbesondere Werte über 100 pF), nehmen die Zeitwerte zu, während eine höhere ohmschen Last zu einer Zeitverkürzung führt. Wobei das Erhöhen der Last in der Praxis eine Erhöhung der Leistungsaufnahme bedeutet (auch wenn die Betrachtung der Leistungsaufnahme wichtiger ist, so wird letztendlich eine Veränderung der Zeitwerte sichtbar).
Die Produktkataloge geben normalerweise bei allen Zeitangaben mit an, welche Prüfschaltung zugrunde liegt, sprich mit welchen Kapazitäten, bei welcher ohmschen Last und mit welchen Spannungswerten gemessen wurde. Die Messungen werden normalerweise mit einem Rechtecksignal mit einer Frequenz von 100 kHz und 1 MHz durchgeführt, wobei die Anstiegszeit tf bzw. Abfallzeit tr des Messsignals zwischen 5 und 50 ns liegt. Da die Eingangflanke am Umschaltpunkt eine relativ hohe Steigung besitzt, ist die Änderung des Ausgangspegels nahezu unabhängig von der Änderungsrate des Eingangssignals.
Wenn die Differenz zwischen den Zeitwerten tpdl und tpdh nicht groß ist, ist auch der arithmetische Mittelwert tpd annährend gleich. In den verschiedenen Berechnungen kann man daher die mittlere Signallaufzeit tpd anstatt die Abfall- und Anstiegsverzögerungszeit nutzen. Wenn jedoch ein erheblicher Unterschied zwischen den beiden Werten besteht, sollte die Verwendung von tpd überdacht werden.
Im Ergebnis zeigt sich, dass bei LSL-Logik-Gattern die gemessenen Zeitwerte in der Größenordnung von einigen hundert ns (Ct = 10-100pF) liegen. Zum Vergleich: die typische Gatterlaufzeit bei digitalen Standard-Logik-Gattern (z.B. für TTL-Schaltkreise) liegt bei wenigen zehn ns (Ct = 10-50pF).
- ^U. Tietze, C. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 9. Ausgabe. Springer-Verlag, 1989, ISBN 3662119412, S. 167 (online).
- ^Siemens (Hrsg.): Datenbuch 1974/75 Band 1. Digitale Schaltungen MOS. 1974, S. 163 (PDF-Datei; 14,4 MB).