Anstiegs- und Abfallzeit
Unter Anstiegszeit und Abfallzeit (engl. rise time und fall time) versteht man in der Messtechnik die Zeit, die ein Pegelwechsel eines (idealerweise) rechteckförmigen Signals real benötigt, um seinen Signalpegel zwischen zwei definierten Zwischenwerten (üblich sind 10 % und 90 %) zu ändern.]]
Anstiegs- und Abfallzeiten haben in der Digitaltechnik und bei Schalttransistoren Bedeutung. Dort beschreiben sie beim Umschaltvorgang charakteristische Zeiten, in denen das Signal nicht mehr den alten und noch nicht den neuen definierten Logikpegel (?0? bzw. ?1?) bzw. Schaltzustand innehat, die auch mit der Flankensteilheit charakterisiert werden.
Genannt werden hierbei meistens im ungünstigsten Fall (worst_case) garantierte Zeiten, so dass sie die Zeit beschreiben, die ein Signal (beispielsweise in einem Computerprozessor) zum sicheren Umschalten zwischen den beiden binären Zuständen benötigt. Die für ein Bauteil spezifizierten Anstiegs- und Abfallzeiten sind oft keine Messwerte, sondern ein durch das Design bzw. den Herstellungsprozess gesichertes Merkmal des Bausteins bzw. der betrachteten Logikfamilie bei bestimmten Parametern (Betriebsspanung, Temperatur).
Sämtliche Digitaltechnik basiert letztlich auf analog arbeitenden Schaltungselementen, die für die Bearbeitung digitaler Signale optimiert sind. Dabei ist zu beachten, dass man zwar bei den digitalen Signalen ?1? bzw. ?0? auch ?Strom ein? bzw. ?0? unterstellt, in der Praxis aber meistens mit Spannungs- und Strompegeln gearbeitet wird, die ungleich null sind. Weiterhin ist das Verhalten der Schaltung bei Zustandswechsel meist unsymmetrisch, weshalb Anstiegs- und Abfallzeit meist unterschiedlich lang sind.
Für ein Logiksignal in einer Schaltung ist es notwendig, Schwellenwerte festzulegen:
Für logisch ?0? wird bei TTL beispielsweise ein zulässiger Bereich von 0?0,4 V festgelegt und als logisch ?1? ein Bereich von 2?5 V. Die tatsächliche Schaltschwelle der Logikbausteine (ca. 1,4 V) liegt im Bereich zwischen diesen beiden Werten, der auch als verbotener Bereich bezeichnet wird. Sie liegt daher im Bereich der Anstiegs- und Abfallzeit, woraus sich ein besonders schnelles Durchlaufen des verbotenen Bereiches ergibt, was für viele Logigbausteine wichtig und oft auch mit einer minimal zulässigen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit spezifiziert ist.
Anstiegs- und Abfall-Zeit beschreiben die Zeitintervalle, in denen dieser undefinierte ?verbotene? Zustand während des Umschaltens auftritt.
Wichtig ist das insbesondere bei flankengetriggerten Schaltungen, d. h. Schaltungen, die auf die Änderung des Signals reagieren (z. B. flankengetriggertes Flipflop). Andernfalls kann es zu Fehlfunktionen kommen. Siehe dazu auch Race_condition.
Um eine Sicherheit gegen Störungen zu erhalten, gelten die erlaubten Pegel auch für die Ausgänge diese Bausteine. Beispielsweise werden für einen Gatterausgang in der klassischen TTL-Technik max. 0,4 V für ?0? und min. 2,4 V für ?1? garantiert.
Um die elektromagnetische Verträglichkeit sicherzustellen, werden die Ausgänge von Digital- und Treiberschaltungenschaltungen für Schalttransistoren so ausgelegt, dass die Anstiegs- und Abfallzeiten nur so kurz wie nötig sind. Dazu wird die Flankensteilheit slew rate des Ausgangstreibers begrenzt.
Zusammenfassung
Beim Umschalten eines digitalen Signals vom Zustand "0" in den Zustand "1" ist letzterer nach dem durch die Anstiegszeit angegebenen Zeitintervall mit Sicherheit erreicht.
Umgekehrt bestimmt die Abfallzeit die Zeitspanne, die vergehen muss, um beim Schalten von "1" auf "0" den "0"-Zustand mit Gewissheit erreicht zu haben.
Definition
Die Anstiegszeit ist die Zeit, die ein digitales Signal für den Übergang vom definierten Low-Pegel zum definierten High-Pegel benötigt.
Abfallzeit bezeichnet dementsprechend die Zeit für den Übergang vom High-Pegel zum Low-Pegel.
In der Messtechnik werden zur Spezifizierung der Zeiten meistens die Werte von 10 % bzw. 90 % des Schaltpegels definiert.
Vorkommen in der Praxis
Die Anstiegszeit wird oft als Qualitätsmerkmal von digitalen Bauteilen in deren technischen Spezifikationen aufgeführt.
Auch Schalttransistoren und andere leistungselektronische Bauteile werden damit charakterisiert.
Analoge Verstärker und Schaltverstärker werden ebenfalls durch Anstiegs- und Abfallzeiten charakterisiert, die diese als Antwort auf eine Sprungfunktion liefern.
Sowohl bei Digitalschaltungen als auch bei Verstärkern sind zusätzlich Verzögerungszeiten (engl. delay time) charakteristisch, die vergehen, bis sich nach einem Eingangssignal-Sprung die Ausgangsspannung zu ändern beginnt. Bei Schaltstufen heißen diese Zeiten engl. turn-on delay und turn-off delay. Die gesamte Zeitverzögerung beim Durchlauf durch eine Schaltstufe oder einen digitalen Baustein ergibt sich somit aus der Verzögerungs- und ca. der halben Anstiegs- bzw. Abfallzeit.
