Anstiegs- und Abfallzeit

Unter Anstiegszeit und Abfallzeit (engl. rise time und fall time) versteht man in der Messtechnik und der Digitaltechnik 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.

Die Zeiten werden durch die endliche Grenzfrequenz der beteiligten Schaltelemente und Übertragungswege verursacht.

Anstiegs- und Abfallzeiten eines Schaltsignales (untere Kurve) und Verzögerungszeiten zum Steuer- bzw. Eingangssignal (obere Kurve); Aufzeichnung mit einem digitalen Speicheroszilloskop

Anstiegs- und Abfallzeiten beschreiben in der Digitaltechnik und bei Schalttransistoren die beim Umschaltvorgang charakteristischen Zeiten, in denen das Signal nicht mehr den alten und noch nicht den neuen definierten Logikpegel („0“ bzw. „1“) bzw. Schaltzustand innehat. Siehe auch Flankensteilheit.

In der Digitaltechnik werden hierbei meistens die im ungünstigsten Fall (worst case) garantierten Zeiten genannt. Sie beschreiben die Zeit, 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 (Betriebsspannung, 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 meistens unsymmetrisch, weshalb Anstiegs- und Abfallzeit dann 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 Logikbausteine 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.

Sehr kurze Anstiegs- und Abfallzeiten im Signal bedeuten auch, dass im Spektrum des Signals sehr hohe Frequenzanteile vorhanden sind, die zur Aussendung (Abstrahlung) von elektromagnetischen Wellen führen. Durch diese Störsignale können andere Schaltungsteile in ihrer Funktion beeinflusst werden.

Um die elektromagnetische Verträglichkeit sicherzustellen, werden deshalb die Ausgänge von Digital- und Treiberschaltungen so ausgelegt, dass die Anstiegs- und Abfallzeiten nur so kurz wie unbedingt nötig sind. Dazu wird die Flankensteilheit slew rate des Ausgangstreibers begrenzt.

Messtechnik

In der Messtechnik und auch zur Charakterisierung analoger und digitaler Schaltungen werden zur Spezifizierung der Zeiten meistens die Werte von 10 % bzw. 90 % des Schaltpegels bzw. Sollsignales definiert.

Auch Schalttransistoren und andere leistungselektronische Bauteile werden damit charakterisiert.

Analoge Verstärker, Schaltverstärker oder zum Beispiel Leuchtdioden, Laser oder Photodioden und Fototransistoren werden ebenfalls durch Anstiegs- und Abfallzeiten charakterisiert, die diese als Antwort auf eine Sprungfunktion liefern.

Hierbei bestehen folgende Zusammenhänge für einen Tiefpass 1. Ordnung oder vergleichbarer Systeme, die Anstiegs- und Abfallzeit beträgt:

• etwa das 2,2fache^[1] der Zeitkonstante
• etwa das 0,35fache^[2] des Reziprokwerts der 3dB-Grenzfrequenz

  $t_r = 0{,}35 \cdot \frac{1}{f_g}$

Sowohl bei Digitalschaltungen als auch bei Verstärkern, Sensoren und Aktoren 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 anderen Vierpol ergibt sich somit aus der Verzögerungs- und ca. der halben Anstiegs- bzw. Abfallzeit.

Viele digitale Speicheroszilloskope verfügen in ihrer software über Messfunktionen für die Anstiegs- und Abfallzeiten sowie für die Verzögerungszeiten.

Die oben genannten Formeln werden meist an Filtern erster Ordnung hergeleitet. Interessanterweise ist der Fehler bei Systemen höherer Ordnung recht gering, d. h. man kann z. B. auch bei Tiefpaßfiltern höherer Ordnung relativ genau aus der 3dB-Grenzfrequenz die Anstiegszeit berechnen. Das meist auftretende Überschwingen hat darauf relativ wenig Einfluss. Die reine Verzögerungszeit dagegen hängt viel mehr von anderen Effekten ab, wie z.B. weiteren Polen und Nullstellen der Übertragungsfunktion oder auch von nichtlinearen Speichereffekten.

Siehe auch

• Halbwertsbreite

Einzelnachweise / Fußnoten

1. ↑ der genaue Wert beträgt ln(0,9) - ln(0,1) = 2,197
2. ↑ der genaue Wert beträgt (ln(0,9) - ln(0,1))/(2*PI) = 0,3497