測(cè)量亞穩(wěn)態(tài)的方法

圖3.27所示的是一個(gè)觀察D觸發(fā)器亞穩(wěn)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(diào)整，CLK的輸出延遲會(huì)達(dá)到最大值。如果將R1的觸點(diǎn)向CLK輸出的方向進(jìn)行調(diào)整，DATA的輸出延遲會(huì)達(dá)到最大值。DATA和CLK之間的相對(duì)位置的可調(diào)整范圍在正負(fù)15NS之間。

復(fù)位的波形在每個(gè)時(shí)鐘上升沿之后產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電平有效的復(fù)位脈沖。這個(gè)復(fù)位信號(hào)使觸發(fā)器在每個(gè)周期到來之前是一個(gè)固定的狀態(tài)。可以用經(jīng)過延遲的時(shí)鐘信號(hào)作為復(fù)位信號(hào)。

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

將反饋回路開關(guān)S1打開，并將電位器觸點(diǎn)逐漸由數(shù)據(jù)最小延遲變化到數(shù)據(jù)最大延遲。將DATA和CLK之間的時(shí)序關(guān)系相對(duì)于電位器的設(shè)置大致畫出一個(gè)草圖。將電位器進(jìn)行大范圍調(diào)整，并觀察得到的結(jié)果。在最小數(shù)據(jù)延遲時(shí)，數(shù)據(jù)應(yīng)該在要求的最小上升時(shí)間之前到達(dá)。在最大數(shù)據(jù)延遲時(shí)，數(shù)據(jù)應(yīng)該直到最小保持時(shí)間過去之后，才會(huì)變化。

計(jì)算一下電位器每一匝的變化得到的時(shí)延調(diào)整。

現(xiàn)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(yīng)就不會(huì)發(fā)生變化。使示波器通過CLK信號(hào)來觸發(fā)，調(diào)整電位器，得到最小的數(shù)據(jù)延時(shí)。

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

調(diào)整觸點(diǎn)，使數(shù)據(jù)延遲，直到把它調(diào)到數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)間太晚了，Q輸出不會(huì)再轉(zhuǎn)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)，稱為臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)。臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)位于觸發(fā)器生產(chǎn)商標(biāo)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(biāo)定略加放寬，以保重在一個(gè)很大的溫度范圍之內(nèi)，這個(gè)臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)都會(huì)落于這個(gè)限制之間。

臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)之前到達(dá)的數(shù)據(jù)似乎總是可以被鎖存，臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)之后到達(dá)的數(shù)據(jù)似乎總是鎖存不到。這不是我們想要的嗎？沒錯(cuò)，但我們必須進(jìn)一步理解亞穩(wěn)態(tài)問題的實(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(cè)量到的數(shù)據(jù)建立時(shí)間，在這個(gè)圖中，時(shí)間刻度用對(duì)數(shù)標(biāo)尺顯示了實(shí)際數(shù)據(jù)建立時(shí)間與臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)時(shí)間之間的差。無論何時(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)在臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)3NS之前提前到達(dá)時(shí)，時(shí)鐘到Q延遲總是保持13.5NS不變。當(dāng)數(shù)據(jù)向臨界轉(zhuǎn)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(zhǎng)。當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)間非常接近臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)時(shí)，Q延遲與數(shù)據(jù)上升時(shí)間與臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)之差的對(duì)數(shù)成正比。

該時(shí)鐘到輸出延遲的增加值是輸入信號(hào)建立時(shí)間的函數(shù)，這種增加是亞穩(wěn)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(shè)計(jì)遭到破壞。解決這個(gè)問題的最好方法是心量減少它的發(fā)生，但永遠(yuǎn)無法消除它。

時(shí)鐘到輸出延遲究竟通達(dá)到多大呢？這要看數(shù)據(jù)離臨界轉(zhuǎn)換點(diǎn)有多遠(yuǎn)。