Дата последнего обновления файла 16.05.2013

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 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.

Иллюстрация явления метастабильности
Рисунок 1. Иллюстрация явления метастабильности

Временные параметры триггера в момент возникновения состояния метастабильности и выхода из этого состояния приведены на рисунке 2. Время tSU  (register setup time or tSU) 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 tH (register hold time or tH) 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 2 оно обозначено tMET.

Временные параметры триггера в момент возникновения состояния метастабильности
Рисунок 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:

где t0 = tSU – tH
    fс – тактовая частота
    fd – частота с которой меняются входные данные

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

Таблица 3. Сравнительные характеристики КМОП и Bi-КМОП триггеров

Условия измерения SN74ACT SN74ABT
fc = 33МГц, fd = 8МГц 8400 лет 8.1*109 лет
fc = 40МГц, fd = 10МГц 92 дня 1400 лет
fc = 50МГц, fd = 12МГц - 2 часа

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 3. Это снизит вероятность возникновения метастабильного состояния.

Схема снижения вероятности возникновения метастабильного состояния на выходе триггера
Рисунок 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 tMET = 5 нс для 50 МГц, tMET = 5 нс для 67 МГц, tMET = 5 нс для 80 МГц.

Таблица 4. Сравнительные характеристики КМОП и Bi-КМОП триггеров

Условия измерения SN74ACT SN74ABT
fc = 33МГц, fd = 8МГц 2.62*1028 лет 4.77*1047 лет
fc = 40МГц, fd = 10МГц 3,56*1019 дня 2.18*1034 лет
fc = 50МГц, fd = 12МГц 4.9*1010 1*1021 лет
fc = 67МГц, fd = 16МГц 417 лет 1.28*109 лет
fc = 80МГц, fd = 20МГц - 2900 лет

Литература:

  1. Микушин А.В., Сажнев А.М., Сединин В.И. Цифровые устройства и микропроцессоры. СПб, БХВ-Петербург, 2010.
  2. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. СПб, БХВ-Петербург, 2004.
  3. Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы. М, Радио и связь, 1987.
  4. Дж. Ф. Уэкерли Проектирование цифровых устройств. М, Постмаркет, 2002.
  5. Строгонов Андрей Неизвестное об известном, или что такое метастабильность триггеров

Со статьей "Явление метастабильности" читают:

RS-триггеры RS триггер получил название по названию своих входов. Вход S (Set - установить англ.) позволяет устанавливать выход триггера Q в единичное состояние.
http://digteh.ru/digital/RS_trigg.php

D-триггеры Название D триггера происходит от английского слова delay — з адержка. Таблица истинности D триггера достаточно проста,...
http://digteh.ru/digital/RS_trigg.php

T-триггеры T триггер - это счетный триггер. У T триггера имеется только один вход. После поступления на этот вход импульса, состояние T триггера меняется на прямо противоположное.
http://digteh.ru/digital/T_trigg.php

JK-триггеры Таблица истинности jk триггера практически совпадает с таблицей истинности синхронного RS-триггера. Для того чтобы исключить запрещённое состояние...
http://digteh.ru/digital/JK_trigg.php


Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2015

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

пЕИРХМЦ@Mail.ru


Rambler's Top100