Fallzeit
Englisch: fall time
Die Zeit, die benötigt wird, bis die Amplitude eines Impulses von einem angegebenen Wert auf einen anderen angegebenen Wert abfällt.
Abfallzeit: wie schnell ein Signal auf Null abfällt
Die Abfallzeit ist das Zeitintervall, das erforderlich ist, damit eine Spannungs- oder Strompuls von einem hohen auf ein niedriges Niveau abfällt. In der Digital- und Analogelektronik misst sie die Geschwindigkeit, mit der ein Ausgang nach unten umschaltet. Die Standarddefinition verwendet die 90%- und 10%-Punkte der Signalamplitude, das heißt, die Abfallzeit wird gemessen vom Zeitpunkt, an dem der Puls 90% seines Spitzenwerts erreicht, bis er auf 10% dieses Spitzenwerts abfällt. Diese Größe wirkt sich direkt auf die Schaltungsleistung, die Signalintegrität und die Zeitmargen in Digital- und Analogschaltungen aus.
Die Abfallzeit hängt von der Ausgangsimpedanz der treibenden Stufe, der kapazitiven Last und den Eigenschaften des Schaltelements selbst ab. In einer einfachen RC-Schaltung ist die Abfallzeit ungefähr proportional zum Produkt aus Widerstand und Kapazität. Die Abfallzeit eines Transistors wird durch die Rekombination von Ladungsträgern und den Ladungsabbau in der Basis- oder Gate-Region bestimmt. In integrierten Schaltungen geben Hersteller die Abfallzeit unter Standard-Lastbedingungen an, üblicherweise 50 Pikofarad oder ein definiertes Fan-Out-Äquivalent. Die tatsächliche Abfallzeit im praktischen Betrieb variiert mit Temperatur, Versorgungsspannung und der tatsächlichen Lastimpedanz.
Warum Abfallzeit in echten Schaltungen wichtig ist
Zu langsame Abfallzeiten verschlechtern die Signalqualität und verringern die maximale Betriebsfrequenz. In der Digitallogik bedeuten längere Abfallzeiten längere Übergangsbereiche, in denen die Ausgangsspannung im undefinierten Bereich zwischen den logischen Pegeln liegt, was zu statischer Leistungsdissipation in komplementären Schaltungen und möglichen Race Conditions führt. In Analogschaltungen begrenzen langsame Abfallzeiten die Bandbreite und verursachen Überschwinger-Artefakte, wenn die fallende Flanke nicht sauber ist. Andererseits erzeugen extrem schnelle Abfallzeiten elektromagnetische Störungen und Klingeln aufgrund von Übertragungsleitungseffekten und parasitären Induktivitäten, besonders bei Hochgeschwindigkeits- oder Fernverbindungen.
Die Abfallzeit ist mit der Anstiegszeit gekoppelt, der Messgröße für den Aufwärtsübergang. Zusammen definieren sie die Flankensteilheit einer Ausgangsstufe. Asymmetrische Anstiegs- und Abfallzeiten sind in echten Bauteilen üblich: CMOS-Ausgänge fallen häufig schneller ab als sie ansteigen, weil das Pull-Down-Netzwerk typischerweise kleiner ist als das Pull-Up-Netzwerk. Konstrukteure wählen Ausgangspuffer aus oder fügen explizite Pull-Down-Widerstände hinzu, um die Abfallzeit zu steuern, wenn die natürliche Abfallzeit für die Anwendung zu langsam ist.
Im Hochgeschwindigkeits-Digitaldesign setzt die Abfallzeit eine untere Grenze für die Ausbreitungsverzögerung und muss in den Setup- und Hold-Time-Berechnungen berücksichtigt werden. In der Leistungselektronik und in Schaltreglern beeinflusst die Abfallzeit des Gate-Drive-Signals die Schaltverluste und die Stromkommutierung zwischen Bauteilen. Die Messung der Abfallzeit erfordert bandbreitenbegrenzte Oszilloskope mit einer Anstiegszeit, die unter einem Zehntel des gemessenen Signals liegt, sonst verzerrt das Messinstrument selbst die Messung.