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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines
Maßes
einer Signallaufzeit einer Digitalschaltung, ein Verfahren zum Regeln
der Betriebsspannung einer Digitalschaltung sowie eine Schaltungsanordnung
zum Regeln der Betriebsspannung einer Digitalschaltung.
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Die
Leistungsfähigkeit
einer Digitalschaltung wird maßgeblich
von der Signallaufzeit ihrer Schaltungselemente bestimmt. Wenn die
Signale in der Digitalschaltung die Schaltungselemente in einer
kurzen Signallaufzeit bzw. schnell durchlaufen können, kann die Digitalschaltung
mit einer höheren
Frequenz und somit höheren
Leistung betrieben werden. Dabei wird die Leistungsfähigkeit
insbesondere von der Signallaufzeit des längsten Signalpfads, auch kritischer
Pfad genannt, bestimmt. Die Anzahl der kritischen Pfade in einer
Digitalschaltung reicht von einem Exemplar bis zu mehreren Tausenden,
letzteres beispielsweise bei Schaltungen, die eine hohe Anzahl von
Bits parallel verarbeiten und/oder viele Pipelinestufen aufweisen.
Die maximale Betriebsfrequenz bei synchronen, getakteten Digitalschaltungen
entspricht dann dem Kehrwert der Laufzeit des längsten Signalpfads. Aufgrund
von Temperatureinflüssen,
Spannungsschwankungen und Fertigungseinflüssen ist die Signallaufzeit
des kritischen Signalpfads nicht genau bekannt. Üblicherweise wird ein Sicherheitsabstand
eingeführt,
in dem eine zulässige
Höchstbetriebsfrequenz
festgelegt wird, die dem Kehrwert einer Maximallaufzeit entspricht,
wobei die Maximallaufzeit die Summe der Signallaufzeit des kritischen
Pfads und weiteren Signallaufzeitverlängerungen ist, die sich bei
den zu erwartenden Temperaturschwankungen bzw. Spannungsschwankungen
bzw. Fertigungseinflüssen
maximal ergeben können.
So wird die Laufzeitverlängerung aufgrund
des Temperatureinflusses durch den spezifizierten Temperaturbe reich
bestimmt, der beispielsweise von –20°C bis +100°C reichen kann. Die Laufzeitverlängerung
aufgrund der Versorgungsspannung gibt den Einfluss der sporadischen Änderung
der Versorgungsspannung wieder. Wird die Versorgungsspannung variiert, ändern sich
die Signallaufzeiten, wobei eine höhere Spannung zu kürzeren Signallaufzeiten
führt und
eine niedrigere Spannung zu längeren
Laufzeiten führt.
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Die
Abhängigkeit
der Signallaufzeit von der Betriebsspannung kann zum Einstellen
der Maximallaufzeit verwendet werden, indem über eine geeignete Nachweisschaltung
für die
Digitalschaltung und die augenblickliche Temperatur die Laufzeit
des kritischen Pfads bestimmt wird. Die Einflüsse durch Temperatur und Prozessschwankungen
auf die Laufzeit des kritischen Pfads werden damit kompensiert.
Wird beispielsweise die Schaltung bei Raumtemperatur betrieben und
besitzen die Schaltungselemente der Digitalschaltung eine kurze
Signallaufzeit, reicht auch eine niedrigere Versorgungsspannung
aus, um die geforderte Frequenz zu erreichen. Die Schaltung weist
damit einen niedrigeren Leistungsverbrauch auf, was insbesondere
bei portablen Anwendungen angestrebt wird.
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Die
Druckschrift
DE 39
38 459 A1 beschreibt eine Digital-Schaltung mit Signalpfaden, denen jeweils eine
Signalpfadnachbildung nachgeschaltet ist. Die Signale, die die einzelnen
Signalpfade durchlaufen, werden am Ende der Signalpfade invertiert
und durch die entsprechenden Nachbildungen hindurch geleitet. Am Ende
der Nachbildungen wird das Signal wieder invertiert, um es in der
richtigen Polarität
zu erhalten. Mithilfe dieser Nachbildungen sollen Impulslängenveränderungen
des der Nachbildung entsprechenden Signalpfades kompensiert werden.
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Die
Druckschrift
DE 692
24 270 T2 beschreibt einen Digitalspeicher mit einzelnen
Speicherzellen, wobei die einzelnen Speicherzellen mit einer Vorladung
versehen werden, sobald sie von einem Decoder angesprochen werden.
Dabei soll das Problem gelöst
werden, dass der Decoder eine gewisse Zeit benötigt, um die anzusprechende
Speicherzelle auszuwählen.
Dies kann dazu führen,
dass der Vorladungsimpuls eintrifft, bevor der Decoder die vorzuladende
Speicherzelle ausgewählt
hat. Um dies zu vermeiden, ist in dieser Druckschrift eine Verzögerungsschaltung
vorgesehen, die das Vorladen der einzelnen Speicherzellen um im
Wesentlichen den gleichen Zeitbetrag verzögert, der von dem Decoder zum
Ausbilden der richtigen Speicherzelle benötigt wird. Die Verzögerungsschaltung
stellt dabei eine Hilfsschaltung dar, um eine zeitliche Verzögerung des
Decoders zu simulieren. Dabei stellt die Hilfsschaltung die Verzögerung des
Decoders nach, um zwei Ereignisse zu synchronisieren.
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Zum
Betreiben einer Digitalschaltung mit einer möglichst geringen Betriebsspannung
ist es bekannt, der Digitalschaltung eine Hilfsschaltung mit einer
Nachbildung eines kritischen Pfads zuzuordnen. Überschreitet die Signallaufzeit
in diesem nachgebildeten kritischen Pfad einen bestimmten Wert,
wird die Versorgungsspannung erhöht.
Sinkt die Laufzeit unter einen festgelegten Wert, wird diese abgesenkt.
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Dieses
bekannte Verfahren weist insbesondere den Nachteil auf, dass bei
großen
Schwankungen der Laufzeiten der einzelnen Schaltungselemente es
zu einem großen
Unterschied zwischen der Signallaufzeit in der Nachbildung des kritischen
Pfads und der Signallaufzeit in der Digitalschaltung kommen kann,
so dass durch Regelung der Betriebsspannung anhand der Signallaufzeit
in der Nachbildung unzulässig
hohe Signallauf zeiten in der Digitalschaltung auftreten können. Um
dies zu vermeiden, kann mit zunehmender Schwankung der Signallaufzeiten
der Schaltungselemente ein zunehmender Sicherheitsabstand vorgesehen
werden, der jedoch nachteiligerweise zur Folge hat, dass unter Umständen eine
unnötig
hohe Betriebsspannung eingestellt wird. Dabei nehmen die statistischen
Schwankungen der Gatterlaufzeit bei gleichen Abmessungen der Halbleiterstrukturen
zu, so dass gerade bei modernen CMOS-Technologien bei hochperformanten
Schaltungen, bei denen die Betriebsfrequenz über 1 GHZ liegen kann, mit
dem bekannten Verfahren die Betriebsspannung höchstens unter Inkaufnahme einer
nachteilig überhöhten Betriebsspannung
geregelt werden kann.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Betriebsspannung einer
Digitalschaltung sowie ein Verfahren zum Bestimmen eines Maßes für die Signallaufzeit
einer Digitalschaltung zu schaffen, bei denen auch bei hohen Schwankungen
der Signallaufzeiten der einzelnen Schaltungselemente eine hohe
Genauigkeit erzielt werden kann, um insbesondere die Betriebsspannung
nicht unnötig
hoch einstellen zu müssen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren zum Ermitteln eines Maßes einer
Signallaufzeit einer Digitalschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1, ein Verfahren zum Regeln der Betriebsspannung einer Digitalschaltung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 sowie eine Schaltungsanordnung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann auch mit einer relativ geringen Anzahl von Nachbildungen ein
genaues Maß für die Signallaufzeit
in der Digitalschaltung zuverlässig
ermittelt werden. Sobald die Laufzeiten der Schaltungselemente im
Wesentlichen normalverteilt sind, stellt sich der Effekt ein, dass
der Mittelwert auch einer relativ geringen Anzahl von Nachbildungen
dem Mittelwert einer sehr großen
Anzahl von Signalpfaden und insbesondere kritischen Signalpfaden
sehr nahe kommt. Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann daher die Signallaufzeit
der Digitalschaltung zuverlässig
auch mit einer geringen Anzahl von Nachbildungen bzw. einem geringen
Aufwand ermittelt werden.
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Vorteilhafterweise
sind die Signalpfadnachbildungen auf dem gleichen Halbleiter wie
die Digitalschaltung integriert, so dass sie der Digitalschaltung
mit geringem Aufwand zugeordnet werden können und sichergestellt ist,
dass sie die gleichen Eigenschaften aufweisen und den gleichen Betriebsbedingungen
bzw. der gleichen Temperatur und der gleichen Spannung ausgesetzt
sind.
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Vorteilhafterweise
wird der Mittelwert der Signallaufzeiten der Signalpfadnachbildungen
ermittelt, indem die einzelnen Nachbildungen parallel geschaltet
werden und als ein einziger Signalpfad betrachtet werden. Wenn nun
die Signallaufzeit dieses Einzelpfads ermittelt wird, entspricht
dieser mit einer sehr hohen Genauigkeit dem Mittelwert dieser Laufzeiten
der einzelnen Signalpfadnachbildungen. Simulationen haben ergeben,
dass die Laufzeit eines solchen Einzelpfads bzw. von parallel geschalteten
Schaltungselementen nur in einem sehr geringen Umfang von der Breite
der Signallaufzeitverteilung abhängt.
Insbesondere wirken sich extreme Abweichungen nicht aus, weil die
Mehrheit der Schaltungselemente den Umschaltzeitpunkt und damit die
Signallaufzeit bestimmt. Dabei kann die Parallelschaltung der Signalpfadnachbildungen
auf verschiedene Arten geschehen. Beispielsweise können nur
die Eingänge
und die Ausgänge
der einzelnen Signalpfadnachbildungen parallel geschaltet bzw. miteinander
verbunden werden. Daneben ist es jedoch auch möglich, die Ausgänge bzw.
die Eingänge
von Schaltungselementen, die sich in den verschiedenen Signalpfadnachbildungen
an der gleichen Stelle befinden, miteinander zu verbinden. Auf diese
Weise werden nicht nur die Signalpfadnachbildungen sondern auch
einzelne Bestandteile bzw. Schaltungselemente der Signalpfadnachbildungen
paral lel geschaltet. Insbesondere können dabei auch alle Schaltungselemente
parallel geschaltet werden bzw. die Ausgänge aller sich an gleicher
Stelle in den verschiedenen Signalpfadnachbildungen befindlichen Schaltungselemente
miteinander verbunden werden, so dass derartig verschaltete Signalpfadnachbildungen auch
als Serienschaltung parallel geschalteter Schaltungselemente betrachtet
werden können.
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Die
Anzahl der parallel geschalteten Signalpfadnachbildungen kann sich
beispielsweise von 10 bis 20 bewegen.
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Um
einen Sicherheitsabstand bei der Bestimmung des Maßes für die Signallaufzeit
der Digitalschaltung bzw. bei der Regelung der Betriebsspannung
für die
Digitalschaltung zu erreichen, können
die Signalpfadnachbildungen jeweils zusätzliche in Serie geschaltete
Schaltungselemente aufweisen, die die Signallaufzeiten in den Signalpfadnachbildungen
weiter verzögern.
Auf diese Weise wird eine im Vergleich zur Digitalschaltung höhere Signallaufzeit
ermittelt. Wird diese Signallaufzeit zur Regelung der Betriebsspannung
verwendet, wird in einem solchen Fall die Betriebsspannung auf einen
Wert geregelt, der in einem Sicherheitsabstand über dem zum Erreichen der beabsichtigen
Betriebsfrequenz erforderlichen Wert liegt.
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Solche
zusätzlichen
Schaltungselemente in den Signalpfadnachbildungen können beispielsweise
verwendet werden, um die Anzahl der kritischen Pfade in der Digitalschaltung
zu berücksichtigen.
Nimmt die Anzahl der kritischen Pfade in der Digitalschaltung zu,
steigt auch die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von gegenüber dem
Mittelwert verlängerten
Signallaufzeiten. Dabei kann mit statistischen Methoden die maximale Laufzeit
des kritischen Pfads in einer Digitalschaltung bestimmt werden.
Beispielsweise kann bestimmt werden, wie groß der Sicherheitsabstand in
Standardabweichungen der Pfadlaufzeit sein muss, damit mit einer vorgegeben
Wahrscheinlichkeit kein Pfad in der Digitalschaltung eine darüberliegende
Signallaufzeit aufweist.
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Weiterhin
kann mit Hilfe der zusätzlichen
Schaltungselemente in den Signalpfadnachbildungen auch die statistische
Schwankung der Schaltungselemente berücksichtigt werden. Wenn beispielsweise
die statistische Schwankung größer ist,
steigt damit auch die Gefahr von weit über dem Mittelwert liegenden
Signallaufzeiten, so dass ein erhöhter Sicherheitsabstand erforderlich
ist, damit mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit kein zu geringer
Wert für
die Signallaufzeit in der Digitalschaltung ermittelt wird.
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Die
Schaltungselemente der Digitalschaltung bzw. der Signalpfadnachbildungen
können
beispielsweise auch Gatter sein, die mehrere Eingänge aufweisen
können.
Um bei den Signalpfadnachbildungen eine einfache Signalkette ohne
Verzweigungen zu erreichen, wird bei Schaltungselementen mit mehreren
Eingängen jeweils
nur ein Eingang. zum Aufbau der Signalpfadnachbildung verwendet,
wobei die restlichen Eingänge
mit einem statischen Signal so beaufschlagt werden, dass das an
dem verwendeten Schaltungselementeingang angelegte Signal weitergeleitet
wird. Sind die Schaltungselemente beispielsweise UND-Gatter, werden
die nichtverwendeten Eingänge
auf High gelegt, um ein Weiterleiten des Signals am verwendeten
Eingang zu gewährleisten.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten. Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
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1 zeigt eine Schaltungsanordnung
zur Ermittlung einer Signallaufzeit eines Signalpfads, und
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2 zeigt den Aufbau mehrerer
parallel geschalteter Signalpfadnachbildungen.
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In 1 ist eine Hilfsschaltung
zur Ermittlung eines Maßes
für die
Signallaufzeit in einer Digitalschaltung dargestellt.
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Diese
Hilfsschaltung weist Signalpfadnachbildungen 7, 8 auf,
die zu einem Block parallel geschaltet sind, so dass sie nur einen
Eingang und einen Ausgang aufweisen. An den Eingang der Signalpfadnachbildungen 7, 8 ist
ein Taktgenerator 9 angeschlossen, der ein Taktsignal mit
der Betriebsfrequenz der Digitalschaltung erzeugt. Der Ausgang der
Signalpfadnachbildungen 7, 8 ist mit einem Eingang
eines XOR-Gatters 10 verbunden, dessen anderer Eingang
an den Taktgenerator 9 angeschlossen ist. Der Ausgang des
XOR-Gatters 10 wird nur dann High, wenn an den beiden Eingängen unterschiedliche
Signale anliegen. Wenn beispielsweise die Signalpfadnachbildungen 7, 8 eine
Signallaufzeit von 0 aufweist, liegen an den beiden Eingängen des XOR-Gatters 10 immer
die gleichen Signale an, so dass der Ausgang auf Low bleibt. In
dem Maße,
in dem die Signallaufzeit der Signalpfadnachbildungen 7, 8 ansteigt,
wird das Ausgangssignal der Signalpfadnachbildungen 7, 8 gegenüber dem
Taktsignal des Taktgenerators 9 verzögert, so dass die Zeitdauern,
in denen an den Eingängen
des XOR-Gatters 10 unterschiedliche
Signale anliegen, länger
werden. Am Ausgang des XOR-Gatters 10 liegt daher ein Rechtecksignal
an, dessen Impulsdauern mit steigender Signallaufzeit der Signalpfadnachbildungen 7, 8 ansteigen.
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Diese
in 1 dargestellte Hilfsschaltung
ist zusammen mit einer nicht dargestellten Digitalschaltung in einem
gemeinsamen Halbleiter integriert und an die gleiche Spannungsversorgung
angeschlossen. Somit wird sichergestellt, dass die Signallaufzeiten
der Schaltungselemente sowohl der Digitalschaltung als auch der Signalpfadnachbildungen 7, 8 den
gleichen Einflüssen
aufgrund der Betriebsspannung, der Fertigung und der Temperatur
unterliegen. Somit entsprechen die Signallaufzeiten der Schaltungselemente
in den Signalpfadnachbildungen 7, 8 im Wesentlichen
den Signallaufzeiten der Schaltungselemente in der Digitalschaltung,
wobei insbesondere jeweils die Mittelwerte der Signallaufzeiten
gleich sind. Auf diese Weise ist durch Bestimmung der Signallaufzeit
der Signalpfadnach bildungen 7, 8 ein hinreichend
gesicherter Rückschluss
auf die Signallaufzeiten in der Digitalschaltung möglich.
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An
den Ausgang des XOR-Gatters 10 schließt sich eine nicht dargestellte
Regeleinrichtung an, die anhand des Ausgangssignals des XOR-Gatters 10,
das ein Maß für die Signallaufzeit
in den Signalpfadnachbildungen 7, 8 bzw. in der
Digitalschaltung darstellt, die Betriebsspannung der Digitalschaltung
und damit auch der Signalpfadnachbildungen so regelt, dass die Signallaufzeit
in den Signalpfadnachbildungen 7, 8 einen bestimmten
Grenzwert nicht überschreitet.
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Die
Signalpfadnachbildungen 7, 8 weisen zum einen
Nachbildungen 7 eines kritischen Pfads der Digitalschaltung
auf. Die mit Hilfe der Nachbildung 7 eines kritischen Pfads
ermittelte Signallaufzeit entspricht daher zumindest theoretisch
der höchsten,
in der Digitalschaltung auftretenden Signallaufzeit. Da aufgrund
der wesentlich höheren
Anzahl an kritischen Pfaden in der Digitalschaltung und der nicht
auszuschließenden
statistischen Schwankung der Laufzeiten der verschiedenen Schaltungselemente
nie auszuschließen
ist, dass in der Digitalschaltung längere Signallaufzeiten als
die der Nachbildung 7 des kritischen Pfads auftreten, weisen die
Signalpfadnachbildungen 7, 8 zusätzlich seriell
geschaltete Schaltungselemente 8 auf, die die Signallaufzeit
der Signalpfadnachbildungen 7, 8 zusätzlich verlängern. Auf
diese Weise wird mit der in 1 dargestellten
Hilfsschaltung eine Signallaufzeit ermittelt, die mit einer gewissen
Wahrscheinlichkeit einen bestimmten Sicherheitsabstand über der
längsten
in der Digitalschaltung auftretenden Signallaufzeit liegt, wobei
der Sicherheitsabstand von der Anzahl der jeweils in Serie geschalteten
Schaltungselemente 8 sowie deren Signallaufzeiten bestimmt
wird.
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Der
zur Erreichung der geforderten Betriebsfrequenz erforderliche Sicherheitsabstand
wird in Standardabweichungen der Pfadlaufzeit angegeben, wobei die
statistische Schwankung der Signallaufzeiten der Schaltungselemente
berücksichtigt
werden muss.
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Wenn
beispielsweise die statistische Schwankung der Signallaufzeit der
Schaltungselemente 15% betragen kann und die maximale Signallaufzeit
des kritischen Pfads mit einer Wahrscheinlichkeit von wenigstens 95%
nicht zu gering ermittelt werden soll, muss der Sicherheitsabstand
in Standardabweichungen der Pfadlaufzeit die folgenden Werte besitzen:
| Pfadanzahl | Anzahl
der Standardabweichungen der Pfadlaufzeit |
| 1 | 1,65 |
| 10 | 2,55 |
| 102 | 3,33 |
| 103 | 3,9 |
| 104 | 4,4 |
| 105 | 4,9 |
| 106 | 5,32 |
| 107 | 5,73 |
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Die
zusätzlichen
Schaltungselemente 8 der Signalpfadnachbildungen 7, 8 werden
so ausgewählt, dass
sich mit ihnen der erforderliche Sicherheitsabstand in Abhängigkeit
von der Anzahl der kritischen Pfade und der statistischen Schwankung
der Signallaufzeiten der Schaltungselemente erzielen lässt.
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In 2 ist der Aufbau der Signalpfadnachbildungen 7, 8 im
Detail dargestellt. Jede Signalpfadnachbildung besteht aus einer
Kette von Schaltungselementen 1x –6x , die seriell verschaltet sind. Von
den vorhandenen Signalpfadnachbildungen sind nur drei beispielshaft
dargestellt, wobei die Gesamtanzahl der Signalpfadnachbildungen
beispielsweise zwischen 10 und 20 betragen kann.
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Um
den Mittelwert der Signallaufzeiten der Signalpfadnachbildungen
einfach ermitteln zu können,
sind diese parallel ge schaltet. Dazu sind zum einen die Eingänge der
Signalpfadnachbildungen bzw. die Eingänge der jeweils ersten Schaltungselemente 1x miteinander verbunden und bilden den
Eingang der Signalpfadnachbildungen 7, 8. Ebenso
sind die Ausgänge
der jeweils letzten Schaltungselemente 6x miteinander
verbunden und bilden den Ausgang der Signalpfadnachbildungen 7, 8.
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Darüber hinaus
sind auch die Ausgänge
der übrigen
sich an gleicher Stelle der Signalpfadnachbildungen 7, 8 befindlichen
Schaltungselemente 1x –5x miteinander verbunden bzw. parallel
geschaltet. Auf diese Weise bestehen die Signalpfadnachbildungen 7, 8 aus
einer Serienschaltung von jeweils parallel geschalteten Schaltungselementen 1x –6x , wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel
die Schaltungselemente 1x –4x jeweils den kritischen Pfad der Digitalschaltung
nachstellen und die Schaltungselemente 5x , 6x als zusätzliche Schaltungselemente 8 vorgesehen
sind, um den erforderlichen Sicherheitsabstand zu erreichen. Die
tiefergestellten Ziffern bei den Bezugsziffern der Schaltungselemente 1x –6x der Signalpfadnachbildungen 7, 8 geben
jeweils an, zu welcher Signalpfadnachbildung das betreffende Schaltungselement
gehört.
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Das
zweite und das vierte Schaltungselement 2x , 4x weist zwei Eingänge auf, von denen jedoch nur einer
mit dem Ausgang des vorangehenden Schaltungselements 1x bzw. 3x verbunden
ist. Um eine Weiterleitung des Signals zu gewährleisten, sind die jeweils
freien Signaleingänge
dieser beiden Schaltungselemente 2x bzw. 4x in den verschiedenen Signalpfadnachbildungen
parallel geschaltet und mit einem Anschluss 11 bzw. 12 versehen.
An diese beiden Anschlüsse 11, 12 sind
statische Signale angelegt, die es den Schaltungselementen 2x bzw. 4x ermöglichen,
das Signal vom jeweils vorangehenden Schaltungselement 1x bzw. 3x weiterzuleiten.
Da an den Anschluss 11 bzw. 12 anzulegende statische
Signal richtet sich nach der Art des entsprechenden Schaltungselements 2x bzw. 4x .
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Mit
Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung ist
es möglich,
ein Maß für die Signallaufzeit
in einer Digitalschaltung mittels einer Nachbildung eines kritischen
Pfads der Digitalschaltung zu ermitteln, wobei für die Signalpfadnachbildungen
nur ein geringer Aufwand bzw. eine geringe Anzahl von Signalpfadnachbildungen
erforderlich ist.