數(shù)字觸發(fā)器原理與亞穩(wěn)態(tài)特性

圖3.29是一個(gè)簡(jiǎn)化的數(shù)字觸發(fā)器原理圖。在這個(gè)例子中，為放大器提供了對(duì)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(dòng)到電源正電壓，或者把電容C上的任何負(fù)電壓驅(qū)動(dòng)到電源負(fù)電壓。

當(dāng)用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)時(shí)，電路會(huì)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(shí)序圖。在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)時(shí)，開關(guān)S2打開很短一段時(shí)間。當(dāng)S2打開時(shí)，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(shí)，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(shí)序很好地配合。但是無論采用什么樣的電路，觸發(fā)器總會(huì)出現(xiàn)來亞穩(wěn)態(tài)效應(yīng)。

如果輸入信號(hào)是二進(jìn)制邏輯信號(hào)，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(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(hào)同時(shí)發(fā)生變化會(huì)怎么樣呢？當(dāng)S1關(guān)閉時(shí)，電容C充電，電壓隨輸入信號(hào)的變化而變化。當(dāng)打開S1時(shí)，電容C會(huì)操持在開關(guān)打開時(shí)刻的充電電壓。當(dāng)S1打開時(shí)，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(gè)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(shí)間要求當(dāng)S1打開時(shí)，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(hào)進(jìn)行接口時(shí)，則不能阻止信號(hào)的時(shí)鐘沿發(fā)生變化。

當(dāng)開關(guān)S2關(guān)閉時(shí)，放大器從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)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(shù)函數(shù)變化，輸出電壓等于：

K是一個(gè)時(shí)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(shí)刻碰巧接近于零，那么輸出從一個(gè)電源端或另一個(gè)電源端斷開可能會(huì)花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。這個(gè)變化過程稱為亞穩(wěn)態(tài)。

因?yàn)殡S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(shí)間可能會(huì)很長(zhǎng)。如果嚴(yán)穩(wěn)態(tài)時(shí)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(shí)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(shí)間
      K=取決于放大器和開關(guān)的時(shí)間常數(shù)
      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(yīng)必須等待多長(zhǎng)的時(shí)間。

用輸入信號(hào)的上升時(shí)間，可以將電壓VIN轉(zhuǎn)換為時(shí)間偏移量。對(duì)于接近零電平的信號(hào)，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(hào)的轉(zhuǎn)換在時(shí)刻TW以內(nèi)，其輸入電壓將會(huì)在VIN以內(nèi)：

下式把結(jié)果都轉(zhuǎn)換到時(shí)域當(dāng)中，給出了輸入信號(hào)到達(dá)時(shí)刻和等待響應(yīng)時(shí)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(hào)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(shí)會(huì)小于T稱。如果數(shù)據(jù)信號(hào)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(shí)會(huì)大于T秒。

所有的觸發(fā)器會(huì)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(shí)間。