Anstiegszeit
Englisch: rise time
Bei einer Spannungs- oder Stromstufenfunktion die Zeit, die ein Signal benötigt, um von einem festgelegten niedrigen Wert auf einen festgelegten hohen Wert zu wechseln.
Anstiegszeit: wie schnell ein Signal von Low zu High ansteigt
Die Anstiegszeit misst die verstrichene Zeit für den Übergang eines Signals zwischen zwei definierten Spannungs- oder Stromwerten, typischerweise gemessen von 10 % bis 90 % des Endwerts in der Elektronik. Diese Kenngröße ist wichtig, weil Signale in der Realität nicht augenblicklich wechseln; sie zeigen endliche Anstiegsgeschwindigkeiten, die durch die Schaltungskapazität, Induktivität, Ausgangsimpedanz und die inhärente Geschwindigkeit der treibenden Komponente bestimmt werden. Ein Signal, das 2 Nanosekunden zum Ansteigen braucht, unterscheidet sich grundlegend von einem, das 200 Nanosekunden benötigt, bezüglich Bandbreite, Harmonischengehalt und Erzeugung elektromagnetischer Störungen.
Die Anstiegszeit steht in umgekehrtem Verhältnis zur Bandbreite. Ein Signal mit schnellerer Anstiegszeit (kürzere Dauer) enthält höherfrequente Komponenten und belegt ein breiteres Frequenzspektrum. Diese Beziehung wird durch die Faustregel angenähert: Bandbreite (MHz) ist ungefähr 0,35 geteilt durch Anstiegszeit (Mikrosekunden). Folglich bedeutet eine Anstiegszeit von 1 Nanosekunde ungefähr 350 MHz Bandbreite, während eine Anstiegszeit von 1 Mikrosekunde nur etwa 350 kHz bedeutet. Digitaltechniker müssen dies beim Auswählen von Oszilloskopen berücksichtigen, um Signale genau erfassen und messen zu können; die Bandbreite des Geräts muss die erforderliche Bandbreite des Signals übersteigen, sonst tritt ein Messfehler auf.
Spezifikation und Messung
Die Anstiegszeit wird in Datenblättern für Logikgatter, Verstärker, Komparatoren und andere Schaltelemente angegeben. TTL-Logik zeigt typischerweise Anstiegszeiten im Bereich von 10 bis 40 Nanosekunden, während CMOS-Bauelemente je nach Lastkapazität und Versorgungsspannung zwischen 20 und 200 Nanosekunden liegen. Analoge Ausgangsstufen können Anstiegszeiten im Mikrosekundenbereich aufweisen. Die Messung hängt von den Lastbedingungen ab: höhere Lastkapazität verlängert die Anstiegszeit proportional, daher geben Datenblätter die Anstiegszeit unter spezifizierter Last an (oft 50 pF oder 15 pF in Digitalschaltungen). Die Anstiegszeit verschlechtert sich mit der Kabellänge, Steckerverlusten und Anpassungsfehlern der Treiber- impedanz in praktischen Installationen.
Übermäßige Anstiegszeit erzeugt Signalintegritätsprobleme in Hochgeschwindigkeitsschaltungen. Langsame Flanken ermöglichen Störkopplung in benachbarte Leiter, können mehrfache Schaltvorgänge durch eine Komparatorschuelle verursachen und verbrauchen Leistung in Zwischenschaltungszuständen. Umgekehrt erzeugen übermäßig schnelle Anstiegszeiten große di/dt- und dv/dt-Raten, die elektromagnetische Energie abstrahlen, FCC-Emissionsgrenzen überschreiten und Übersprechen in parallelen Leiterbahnen induzieren. Systementwickler müssen die Anstiegszeit ausbalancieren, um Timing-Anforderungen zu erfüllen und gleichzeitig innerhalb von EMV-Beschränkungen zu bleiben.
Die Anstiegszeit interagiert mit Verzögerungszeit und Settling-Time in der Gesamtsystemleistung. Eine schnell ansteigende Flanke kann sich in wenigen Nanosekunden sauber auf ihren Endwert einpendeln, oder sie kann übersch ießen und oszillieren und benötigt zusätzliche Zeit zum Stabilisieren. In Analogschaltungen kombiniert sich die Anstiegszeit mit Slew-Rate-Limitierungen, um zu bestimmen, wie schnell sich ein Signal ändern kann; ein Operationsverstärker mit 0,5 V/Mikrosekunde Slew-Rate kann eine 10-V-Stufe nicht in weniger als 20 Mikrosekunden erzeugen, unabhängig von der Eingangs bandbreite. Praktische Messungen verwenden ein Oszilloskop mit 10x oder höherem Bandbreitenverhältnis, um die Belastung und Filterung des zu messenden Signals zu vermeiden.