數(shù)字觸發(fā)器原理與亞穩(wěn)態(tài)特性

圖3.29是一個簡化的數(shù)字觸發(fā)器原理圖。在這個例子中，為放大器提供了對稱的正、負(fù)電壓。正反饋電路把電容C上的任何正電壓驅(qū)動到電源正電壓，或者把電容C上的任何負(fù)電壓驅(qū)動到電源負(fù)電壓。

當(dāng)用時鐘驅(qū)動時，電路會穩(wěn)定在正電平狀態(tài)，或負(fù)電平狀態(tài)。所有的觸發(fā)器都這樣工作或具有類似的工作原理。

圖3.29下面的部分是觸發(fā)器的時序圖。在時鐘驅(qū)動時，開關(guān)S2打開很短一段時間。當(dāng)S2打開時，S1關(guān)閉，將電容C充電到輸入電壓VIN。當(dāng)S2又一次關(guān)閉時，周期結(jié)束，通過R1的正反饋使放大器飽和，達(dá)到高電路使?fàn)顟B(tài)或低電平狀態(tài)，并保持不變。

芯片生產(chǎn)商通過各種各樣的電路使得S2和S1的時序很好地配合。但是無論采用什么樣的電路，觸發(fā)器總會出現(xiàn)來亞穩(wěn)態(tài)效應(yīng)。

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(dāng)S1關(guān)閉時，該觸發(fā)器放大器一旦進(jìn)入到某種狀態(tài)，就會使電路一直保持在某個狀態(tài)，或者另外一個狀態(tài)。

如果觸發(fā)器的時鐘與輸入信號同時發(fā)生變化會怎么樣呢？當(dāng)S1關(guān)閉時，電容C充電，電壓隨輸入信號的變化而變化。當(dāng)打開S1時，電容C會操持在開關(guān)打開時刻的充電電壓。當(dāng)S1打開時，如果數(shù)據(jù)輸入正發(fā)生變化，我們可能在電容C上鎖存一個接近零的電壓。這看起來不是很像二進(jìn)制。

觸發(fā)器的建立和保持時間要求當(dāng)S1打開時，數(shù)據(jù)不能發(fā)生變化。在同步數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)部，我們能夠保證這些要求得到滿足。而與外部的異步信號進(jìn)行接口時，則不能阻止信號的時鐘沿發(fā)生變化。

當(dāng)開關(guān)S2關(guān)閉時，放大器從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另外一個狀態(tài)所需要的時間取決于電壓VCO從那一刻起，放大器電壓的變化按指數(shù)函數(shù)變化，輸出電壓等于：

K是一個時間常數(shù)，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刻碰巧接近于零，那么輸出從一個電源端或另一個電源端斷開可能會花費很長時間。這個變化過程稱為亞穩(wěn)態(tài)。

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

如果輸入電壓距離零電平很接近，嚴(yán)穩(wěn)態(tài)延遲時間可能會很長。如果嚴(yán)穩(wěn)態(tài)時間為T秒，則輸入電壓和零電平之間應(yīng)該相差多少呢？

將上式變換一下，設(shè)為在T時刻到達(dá)電源電壓：

其中，VIN=輸入電壓與零電平之差
T=亞穩(wěn)態(tài)延遲時間
K=取決于放大器和開關(guān)的時間常數(shù)
VCC=電源電壓

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

用輸入信號的上升時間，可以將電壓VIN轉(zhuǎn)換為時間偏移量。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性關(guān)系。如果輸入信號的轉(zhuǎn)換在時刻TW以內(nèi)，其輸入電壓將會在VIN以內(nèi)：

下式把結(jié)果都轉(zhuǎn)換到時域當(dāng)中，給出了輸入信號到達(dá)時刻和等待響應(yīng)時間之間的關(guān)系。

將式（）中的VIN代入式（）得到：

如果數(shù)據(jù)信號的上升沿在亞穩(wěn)態(tài)窗口正負(fù)TW之外到達(dá)，輸出延時會小于T稱。如果數(shù)據(jù)信號的上升沿在亞穩(wěn)態(tài)窗口正負(fù)TW之內(nèi)到達(dá)，輸出數(shù)據(jù)的延時會大于T秒。

所有的觸發(fā)器會都表現(xiàn)出亞穩(wěn)態(tài)的特性，其亞穩(wěn)態(tài)窗口可以表述為：

常數(shù)C和K是所用的特定觸發(fā)器的屬性，而T是判決時間。