Перейти к содержанию

Время нарастания (rise time)

Цифровой сигнал не переключается мгновенно: фронт занимает какое-то время. Его измеряют между двумя уровнями, и от того, какие уровни взяты, зависит число. Поэтому рядом со временем нарастания всегда указывают пороги.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Время нарастания (rise time, tr) — время, за которое сигнал переходит от нижнего уровня к верхнему, измеренное между двумя заданными порогами. Аналогично определяют время спада (fall time, tf) для перехода вниз. Число имеет смысл только вместе с порогами: один и тот же фронт по уровням 10–90 % и 30–70 % даёт разные значения.

Какие пороги берут

ГдеПорогиПример нормы
USB 2.0, Low и Full Speed10–90 %Full Speed — 4–20 нс, Low Speed — 75–300 нс
I²C0,3–0,7 VDDне больше 1000 нс на 100 кГц, 300 нс на 400 кГц

Уровни 10 и 90 % — самый распространённый вариант: спецификация USB 2.0 прямо задаёт их для Low и Full Speed. В I²C пороги совпадают с уровнями входа — 0,3 и 0,7 VDD.

RC-цепь

Если фронт формирует резистор, заряжающий ёмкость, напряжение растёт по экспоненте с постоянной времени τ = RC. Отсюда (наш расчёт по закону заряда):

tr(10–90 %)=RC⋅ln⁡9≈2,2 RC,tr(30–70 %)=RC⋅ln⁡73≈0,8473 RC.t_{r(10\text{–}90\,\%)} = RC \cdot \ln 9 \approx 2{,}2\,RC, \qquad t_{r(30\text{–}70\,\%)} = RC \cdot \ln\tfrac{7}{3} \approx 0{,}8473\,RC.

Второй коэффициент NXP выводит в UM10204 для шины I²C: подтягивающий резистор Rp заряжает ёмкость шины Cb, и tr = 0,8473·Rp·Cb. Так считают наибольшее допустимое сопротивление подтяжки. Частоту среза и постоянную времени RC-цепи считает калькулятор RC-фильтра.

Зачем это знать

  • Слишком медленный фронт не успевает дойти до порога единицы за отведённое время — так ограничена подтяжка I²C.
  • Слишком быстрый фронт несёт сильные высшие гармоники: TI в SCAA082 показывает, что чем короче фронт, тем больше их амплитуда. USB задаёт не только верхний, но и нижний предел — 4 нс для Full Speed — и требует согласовать фронты, чтобы уменьшить радиопомехи.

Не путать со скоростью нарастания (slew rate) — она измеряется в вольтах на микросекунду и описывает возможности усилителя или драйвера, а не длительность конкретного фронта.

Частые вопросы

Как рассчитать время нарастания RC-цепи?

При заряде конденсатора через резистор напряжение растёт по закону U(1 − e^(−t/RC)). Между уровнями 10 и 90 % проходит RC·ln 9 ≈ 2,2·RC, между 30 и 70 % — RC·ln(7/3) ≈ 0,8473·RC (наш расчёт; второй коэффициент совпадает с UM10204). Например, 10 кОм и 100 пФ дают около 2,2 мкс по уровням 10–90 %.

Почему в I²C время нарастания считают от 0,3 до 0,7 VDD?

Потому что это пороги входа I²C: ниже 0,3 VDD уровень гарантированно нулевой, выше 0,7 VDD — единичный. NXP в UM10204 считает время нарастания именно между ними и получает коэффициент 0,8473 для расчёта подтягивающих резисторов.

Чем время нарастания отличается от скорости нарастания?

Время нарастания — длительность фронта в секундах между двумя порогами. Скорость нарастания (slew rate) — крутизна в вольтах на микросекунду; это параметр усилителя или драйвера, который ограничивает, как быстро может меняться его выход. Связаны они через амплитуду: большой размах при той же скорости даёт более длинный фронт.

Источники

  1. USB-IF. Universal Serial Bus Specification, Revision 2.0 (пакет usb_20_20250603) — разд. 7.1.2.1: у Low и Full Speed время нарастания и спада измеряется между 10 и 90 % сигнала; Full Speed — от 4 до 20 нс, согласованы в пределах ±10 %; табл. 7-9: TFR 4–20 нс (Full Speed); табл. 7-10: TLR 75–300 нс (Low Speed); согласование фронтов — чтобы уменьшить радиопомехи и перекос сигналов
  2. NXP Semiconductors. UM10204: I2C-bus specification and user manual (Rev. 7.0, 1 October 2021) — табл. 11: tr для SDA и SCL не больше 1000 нс (Standard), 300 нс (Fast), 120 нс (Fast-mode Plus); разд. 7.1: пороги VIL = 0,3 VDD и VIH = 0,7 VDD, V(t) = VDD(1 − e^(−t/RC)), t1 = 0,3566749 RC, t2 = 1,2039729 RC, T = 0,8473 RC
  3. Texas Instruments. I2C Bus Pullup Resistor Calculation (SLVA689A, February 2015, rev. October 2026) — разд. 2: tr = t2 − t1 = 0,8473·Rp·Cb; наибольшее сопротивление подтяжки — функция наибольшего tr
  4. Texas Instruments. High-Speed Layout Guidelines (SCAA082A, revised August 2017) — разд. 1.2: из-за конечных времён нарастания и спада сигнал — трапеция; амплитуда высших гармоник зависит от времени нарастания: чем оно больше, тем они меньше

Нашли ошибку?

Смотрите также