Явление метастабильности

До сих пор мы предполагали, что сигнал на входе триггера может принимать только два состояния: логический ноль и логическая единица. Однако синхроимпульс может прийти в любой момент времени, в том числе и в момент смены состояния сигнала на входе триггера.

Если синхросигнал попадёт точно на момент перехода входным сигналом порогового уровня, то триггер на некоторое время может попасть в неустойчивое метастабильное состояние, при котором напряжение на его выходе будет находиться между уровнем логического нуля и логической единицы. Это может привести к нарушению правильной работы цифрового устройства.

Состояние метастабильности триггера подобно неустойчивому состоянию шарика, находящегося на вершине конического холма. Такая ситуация иллюстрируется рисунком 4.1. Обычно триггер не может долго находиться в состоянии метастабильности и быстро возвращается в одно из стабильных состояний. Время нахождения в метастабильном состоянии зависит от уровня шумов схемы и использованной технологии изготовления микросхем.

Рисунок 4.1. Иллюстрация явления метастабильности

Временные параметры триггера в момент возникновения состояния метастабильности и выхода из этого состояния приведены на рисунке 2. Время t_SU (register setup time or t_SU) на этом рисунке это минимальное время перед синхроимпульсом, в течение которого логический уровень сигнала должен оставаться стабильным для того, чтобы избежать метастабильности выхода триггера. Время t_H (register hold time or t_H) это минимально необходимое время удержания стабильного сигнала на входе триггера для того, чтобы избежать метастабильности его выхода. Время состояния метатастабильности случайно и зависит от многих параметров. На рисунке 4.2 оно обозначено t_MET.

Рисунок 4.2. Временные параметры триггера в момент возникновения состояния метастабильности

Вероятность того, что время метастабильности превысит заданную величину, экспоненциально уменьшается с ростом времени, в течение которого выход триггера находится в метастабильном состояние.

где t – это коэффициент обратно пропорциональный коэффициенту усиления и полосе пропускания элементов, входящих в состав триггера.

Склонность триггеров к метастабильности обычно оценивается величиной, обратной скорости отказов. Это значение выражается как интервал времени между отказами. Его можно определить по формуле:

Для того чтобы можно было оценить эту величину, приведём таблицу для двух микросхем. Последняя строчка этой таблицы эквивалентна времени метастабильности t_MET = 5 нс.

Таблица 4.3. Сравнительные характеристики КМОП и Bi-КМОП триггеров

Метастабильное состояние не всегда приводит к неправильной работе цифрового устройства. Если время ожидания устройства после прихода импульса синхронизации достаточно велико, то триггер может успеть перейти в устойчивое состояние, и мы даже ничего не заметим. То есть если мы будем учитывать время метастабильности tmet то метастабильность никак не скажется на работе остальной цифровой схемы.

Если же это время будет неприемлемым для работы схемы, то можно поставить два триггера последовательно, как это показано на рисунке 4.3. Это снизит вероятность возникновения метастабильного состояния.

Рисунок 4.3. Схема снижения вероятности возникновения метастабильного состояния на выходе триггера

Для сравнения приведем MBTF для новой схемы. Сравнение производится тех же самых микросхем, что и в предыдущем примере. Время метастабильности t_MET = 5 нс для 50 МГц,t_MET = 5 нс для 67 МГц, t_MET = 5 нс для 80 МГц.

Таблица 4.4Сравнительные характеристики КМОП и Bi-КМОП триггеров

Глава 5

D триггеры, работающие по фронту (динамические D триггеры)

Фронт сигнала синхронизации, в отличие от высокого (или низкого) потенциала, не может длиться продолжительное время. В идеальном случае длительность фронта импульса равна нулю. Поэтому в триггере, запоминающем входную информацию по фронту не нужно предъявлять требования к длительности тактового сигнала.

Динамический D триггер, запоминающий входную информацию по фронту, может быть построен из двух D триггеров, работающих по потенциалу (статических D триггеров). Сигнал синхронизации C будем подавать на статические D триггеры в противофазе. Схема триггера, запоминающего входную информацию по фронту (динамического D триггера) приведена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1. Схема динамического D триггера, работающего по фронту

Рассмотрим работу схемы триггера, приведенной на рисунке 5.1 подробнее. Для этого воспользуемся временными диаграммами, показанными на рисунке 5.2. На этих временных диаграммах обозначение Q' соответствует сигналу на выходе первого статического D триггера. Так как на вход синхронизации второго статического D триггера тактовый сигнал поступает через инвертор, то когда первый D триггер находится в режиме хранения, второй D триггер пропускает сигнал на выход схемы. И наоборот, когда первый D триггер пропускает сигнал с входа схемы на свой выход, второй D триггер находится в режиме хранения.

Рисунок 5.2. Временные диаграммы D триггера

Обратите внимание, что сигнал на выходе всей схемы D триггера в целом не зависит от сигнала на входе "D". Если первый D триггер пропускает сигнал данных со своего входа на выход, то второй статический D триггер в это время находится в режиме хранения и поддерживает на выходе предыдущее значение сигнала, то есть сигнал на выходе схемы тоже не может измениться.

В результате проведённого анализа временных диаграмм мы определили, что сигнал в схеме, приведенной на рисунке 5.1 запоминается только в момент изменения сигнала на синхронизирующем входе "C" с единичного потенциала на нулевой.

Динамические D триггеры выпускаются в виде готовых микросхем или входят в виде готовых блоков в составе больших интегральных схем, таких как базовый матричный кристалл (БМК) или программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Условно-графическое обозначение динамического D триггера, запоминающего информацию по фронту тактового сигнала, приведено на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3. Условно-графическое обозначение динамического D триггера

То, что триггер запоминает входной сигнал по фронту, отображается на условно-графическом обозначении треугольником, изображённым на выводе входа синхронизации. То, что внутри этого триггера находится два триггера, отображается в среднем поле условно-графического изображения двойной буквой T.

Иногда при изображении динамического входа указывают, по какому фронту триггер (или триггеры) изменяет своё состояние. В этом случае используется обозначение входа, как это показано на рисунке 4.

Рисунок 5.4. Обозначение динамических входов

На рисунке 5.4 (а) обозначен динамический вход, работающий по переднему (нарастающему) фронту сигнала. На рисунке 5.4( б) обозначен динамический вход, работающий по заднему (спадающему) фронту сигнала.

Промышленностью выпускаются готовые микросхемы, содержащие динамические триггеры. В качестве примера можно назвать микросхему 1533ТМ2. В этой микросхеме содержится сразу два динамических триггера. Они изменяют своё состояние по переднему (нарастающему) фронту сигнала синхронизации. Внутренняя схема D-триггеров, примененных в микросхеме 1533ТМ2, содержит дополнительные асинхронные входы R и S. Они позволяют принудительно записывать в D-триггер логический ноль или логическую единицу. Принципиальная схема одного триггера микросхемы 1533ТМ2 приведена на рисунке 5.5.

Рисунок 5.5 Принципиальная схема одного триггера микросхемы 1533ТМ2