Quelltext der Seite Anstiegs- und Abfallzeit

[[Datei:turnonoff.png|500px|miniatur|Anstiegs- und Abfallzeiten eines Schaltsignales (untere Kurve) und Verzögerungszeiten (''delays'') zum Steuer- bzw. Eingangssignal (obere Kurve); Aufzeichnung mit einem [[Oszilloskop#Digitales Oszilloskop|digitalen Speicheroszilloskop]]]]
Unter '''Anstiegszeit''' und '''Abfallzeit''' (engl. '''''rise time''''' und '''''fall time''''') versteht man in der [[Digitaltechnik]] und der [[Messtechnik]] die Zeit, die ein Pegelwechsel eines (idealerweise) [[Rechteckschwingung|rechteckförmigen Signals]] real benötigt, um seinen [[Signalpegel]] zwischen zwei definierten Zwischenwerten (üblich sind 10&nbsp;% und 90&nbsp;%) zu ändern.

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

== Digitaltechnik ==
Anstiegs- und Abfallzeiten beschreiben in der Digitaltechnik und bei [[Transistor|Schalttransistoren]] die beim Umschaltvorgang charakteristischen Zeiten, in denen das [[Signal]] nicht mehr den alten und noch nicht den neuen definierten [[Logikpegel]] („0“ bzw.&nbsp;„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 [[Dualsystem|binären]] Zuständen benötigt. Die für ein Bauteil [[Spezifikation|spezifizierten]] Anstiegs- und Abfallzeiten sind oft keine [[Messwert]]e, sondern ein Merkmal des Bausteins bzw. der betrachteten [[Logikfamilie]] bei bestimmten Parametern ([[Betriebsspannung]], Temperatur), das durch das Design bzw. den Herstellungsprozess gesichert ist.

Sämtliche Digitaltechnik basiert letztlich auf [[Analogtechnik|analog]] arbeitenden Schaltungselementen, die für die Bearbeitung digitaler Signale optimiert sind. Dabei ist zu beachten, dass man bei den digitalen Signalen&nbsp;„1“ bzw.&nbsp;„0“ zwar „[[Elektrischer Strom|Strom]] ein“ bzw. „Strom&nbsp;0“ unterstellt, in der Praxis aber meistens mit [[Elektrische Spannung|Spannung]]s- und Strompegeln gearbeitet wird, die ungleich dieser Idealwerte 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, [[Schwellenwert (Elektronik)|Schwellenwerte]] festzulegen. Für logisch&nbsp;„0“ wird bei [[Transistor-Transistor-Logik|TTL]] beispielsweise ein zulässiger Bereich von 0…0,8 [[Volt|V]] festgelegt und als logisch&nbsp;„1“ ein Bereich von 2…5&nbsp;V. Die tatsächliche Schaltschwelle der [[Logikbaustein]]e (ca. 1,4&nbsp;V) liegt im „verbotenen Bereich“ zwischen diesen beiden Werten und daher im Bereich der Anstiegs- und Abfallzeit. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, den verbotenen Bereich hinreichend schnell zu durchlaufen, was für viele Logikbausteine wichtig und oft auch mit einer minimal zulässigen Spannungsanstiegs-Geschwindigkeit spezifiziert ist.

Anstiegs- und Abfall-Zeit beschreiben die Zeitintervalle, in denen dieser undefinierte „verbotene“ Zustand während des Umschaltens auftritt. Wichtig ist das insbesondere bei ''flanken[[Trigger (Elektronik)|getriggerten]]'' Schaltungen, d.&nbsp;h. Schaltungen, die auf die Änderung des Signals reagieren (z.&nbsp;B. flankengetriggertes [[Flipflop]]). Andernfalls kann es zu [[Fehlfunktion]]en kommen; siehe [[Glitch (Elektronik)|Race condition]].

Um eine Sicherheit gegen Störungen zu erhalten, gelten für die Ausgänge dieser Bausteine härtere Anforderungen als für die Eingänge. Beispielsweise werden für einen [[Logikgatter|Gatter]]<nowiki/>ausgang in der klassischen TTL-Technik max. 0,4&nbsp;V für&nbsp;„0“ und min. 2,4&nbsp;V für&nbsp;„1“ garantiert.

Sehr kurze Anstiegs- und Abfallzeiten im Signal bedeuten auch, dass im Spektrum des Signals sehr hohe [[Frequenz]]anteile vorhanden sind, die zur Aussendung (Abstrahlung) von [[elektromagnetische Welle|elektromagnetischen Wellen]] führen. Durch diese [[Störsignal]]e können andere Schaltungsteile in ihrer Funktion beeinflusst werden. Um die [[elektromagnetische Verträglichkeit]] sicherzustellen, werden deshalb die Ausgänge von Digital- und [[Gate-Treiber|Treiber]]<nowiki/>schaltungen so ausgelegt, dass die Anstiegs- und Abfallzeiten nur so kurz wie unbedingt nötig sind. Dazu wird die Flankensteilheit&nbsp;(''[[slew rate]]'') des Ausgangstreibers begrenzt.

== Messtechnik ==
In der Messtechnik sowie zur Charakterisierung analoger und digitaler [[elektronische Schaltung|Schaltungen]] werden zur Spezifizierung der Zeiten meistens die Werte von 10&nbsp;% bzw. 90&nbsp;% des Schaltpegels bzw. Sollsignales definiert.

Auch [[Digitaltransistor|Schalttransistoren]] und andere [[Leistungselektronik|leistungselektronisch]]e Bauteile werden damit charakterisiert.

Analoge Verstärker, [[Schaltverstärker]], [[Leuchtdiode]]n, [[Laser]], [[Photodiode]]n und [[Fototransistor]]en werden ebenfalls durch Anstiegs- und Abfallzeiten charakterisiert, die sie als [[Sprungantwort|Antwort auf eine Sprungfunktion]] liefern.

Wenn ein [[Exponentieller Prozess|exponentieller Verlauf]] angenommen wird, beträgt die Anstiegs- und Abfallzeit für einen [[Tiefpass]] 1.&nbsp;[[Filter (Elektrotechnik)#Ordnung|Ordnung]] oder vergleichbare Systeme jeweils:

:<math>\begin{align}
t_r & =      (\ln 0{,}9 - \ln 0{,}1)        \cdot \tau          \approx 2{,}197 \cdot \tau\\
    & = \frac{\ln 0{,}9 - \ln 0{,}1}{2 \pi} \cdot \frac{1}{f_g} \approx 0{,}3497 \cdot \frac{1}{f_g}
\end{align}</math>

mit
* der [[Zeitkonstante]] <math>\tau = \frac{1}{2 \pi \, f_g}</math>
* der 3-dB-Grenzfrequenz <math>f_g</math>.

Diese Formel wird meist an Filtern erster Ordnung hergeleitet. Bei Systemen höherer Ordnung ist der Fehler recht gering, d.&nbsp;h. z.&nbsp;B. auch bei Tiefpaßfiltern höherer Ordnung kann man die Anstiegszeit relativ genau aus der 3-dB-Grenzfrequenz berechnen; das meist auftretende [[Überschwingen]] hat darauf relativ wenig Einfluss.

Sowohl bei Digitalschaltungen als auch bei Verstärkern, [[Sensor]]en und [[Aktor]]en sind zusätzliche Verzögerungszeiten  charakteristisch (engl. ''delay times'', bei Schaltstufen ''turn-on&nbsp;delay'' und ''turn-off&nbsp;delay''). Diese vergehen, bis sich nach einem Sprung des Eingangssignals die Ausgangsspannung zu ändern beginnt, d.h. bevor die eigentliche Anstiegs- bzw. Abfallszeit anfängt zu zählen, und hängen ab von weiteren [[Polstelle|Polen]] und [[Nullstelle]]n der [[Übertragungsfunktion]] oder auch von nichtlinearen Speichereffekten.

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 [[Oszilloskop|digitale Speicheroszilloskope]] verfügen in ihrer ''software'' über Messfunktionen für die Verzögerungs- sowie für die Anstiegs- und Abfallzeiten.

== Siehe auch ==
* [[Halbwertsbreite]]



[[Kategorie:Digitaltechnik]]
[[Kategorie:Metrologie]]
[[Kategorie:Theoretische Elektrotechnik]]
[[Kategorie:Tontechnik]]