مُشَعِّل شميت: ما هو وكيف يعمل؟

حقل: الكهرباء الأساسية

China

ما هو مُنشِّط شميت؟

يعد مُنشِّط شميت دائرة مقارنة مع هستيريزيس يتم تنفيذها عن طريق تطبيق التغذية الراجعة الإيجابية على المدخل غير المعكوس للمقارن أو المضخم الفرق. يستخدم مُنشِّط شميت مستويين مختلفين من الجهد العتبة لتجنب الضوضاء في إشارة المدخل. يُعرف هذا التأثير الناتج عن العتبتين بالهستيريزيس.

تم اختراع مُنشِّط شميت من قبل العالم الأمريكي أوتو ه. شميت عام 1934.

المقارن العادي يحتوي على عتبة واحدة فقط. ويقوم بمقارنة عتبة الإشارة بإشارة المدخل. ولكن، إذا كانت إشارة المدخل تحتوي على ضوضاء، فقد تؤثر على إشارة الخرج. a schmitt trigger.png

في الشكل أعلاه، بسبب الضوضاء في المواقع A و B، تتجاوز إشارة المدخل (V1) مستوى إشارة المرجع (V2). خلال هذه الفترة، يكون V1 أقل من V2 وبالتالي يكون الخرج منخفضًا.

لذلك، يتأثر خرج المقارن بالضوضاء في إشارة المدخل. والمقارن ليس محميًا من الضوضاء.

تأتي كلمة "منشِّط" في اسم "منشِّط شميت" من حقيقة أن الخرج يحافظ على قيمته حتى تتغير إشارة المدخل بشكل كافٍ لتغيير الخرج.

كيف يعمل منشِّط شميت؟

يعطي منشِّط شميت نتائج صحيحة حتى وإن كانت إشارة المدخل ضوضائية. يستخدم مستويين من الجهد العتبة؛ الأول هو الجهد العتبة الأعلى (VUT) والثاني هو الجهد العتبة الأدنى (VLT).

يبقى خرج منشِّط شميت منخفضًا حتى تتجاوز إشارة المدخل VUT. بمجرد أن تتجاوز إشارة المدخل هذا الحد VUT، يبقى إشارة الخرج لمنشِّط شميت مرتفعة حتى تكون إشارة المدخل أقل من مستوى VLT.

دعونا نفهم كيفية عمل منشِّط شميت بمثال. هنا نفترض أن المدخل الأولي هو الصفر.

تأثير الضوضاء مع مُحرِّض شميت

فيما يتعلق بالسيناريو الحالي، فقد افترضنا أن الإشارة المدخلة الأولية تساوي الصفر وتزداد تدريجياً كما هو موضح في الشكل أعلاه.

تبقى إشارة الخرج لمُحرِّض شميت منخفضة حتى النقطة A. عند النقطة A، تتجاوز الإشارة المدخلة مستوى العتبة العليا (VUT) مما يؤدي إلى جعل إشارة الخرج عالية.

تبقى إشارة الخرج عالية حتى النقطة B. عند النقطة B، تتجاوز الإشارة المدخلة المستوى الأدنى للعتبة مما يجعل إشارة الخرج منخفضة.

ومن جديد، عند النقطة C، عندما تتجاوز الإشارة المدخلة العتبة العليا، تكون إشارة الخرج عالية.

في هذه الحالة، يمكننا رؤية أن الإشارة المدخلة تحتوي على ضوضاء. ولكن الضوضاء لا تؤثر في إشارة الخرج.

مدار مُحرِّض شميت

يستخدم مدار مُحرِّض شميت التغذية الراجعة الإيجابية. لذا، يُعرف هذا المدار أيضًا باسم دائرة المقارن التجديدية. يمكن تصميم مدار مُحرِّض شميت باستخدام المكبر العملي والترانزيستور. ويتم تصنيفه كالتالي:

مدار مُحرِّض شميت المستند إلى المكبر العملي
مدار مُحرِّض شميت المستند إلى الترانزيستور

مدار مُحرِّض شميت المستند إلى المكبر العملي

يمكن تصميم مدار مُحرِّض شميت باستخدام المكبر العملي بطريقتين. إذا تم توصيل الإشارة المدخلة بنقطة العكس للمكبر العملي، فإنه يُعرف بمُحرِّض شميت العكسي. وإذا تم توصيل الإشارة المدخلة بنقطة عدم العكس للمكبر العملي، فإنه يُعرف بمُحرِّض شميت غير العكسي.

مدار مُحرِّض شميت العكسي

في هذا النوع من مفتاح شميت، يتم تقديم الإدخال في الطرف المعاكس للمضخم العملي. والتعود الإيجابي من الإخراج إلى الإدخال.

الآن، دعونا نفهم كيف يعمل هذا الدائرة. عند النقطة أ، الجهد هو V والجهد المطبق (جهد الإدخال) هو Vin. إذا كان الجهد المطبق Vin أكبر من V، سيكون خرج الدائرة منخفضًا. وإذا كان الجهد المطبق Vin أقل من V، سيكون خرج الدائرة مرتفعًا.

$V_{in} > V \quad V_{out} = V_L$

$V_{in} < V \quad V_{out} = V_H$

الآن، حساب معادلة V.

تطبيق قانون كيرشوف للتيار (KCL)،

$\frac{V-0}{R_1} + \frac{V-V_{out}}{R_2} = 0$

$\frac{V}{R_1} + \frac{V}{R_2} - \frac{V_{out}}{R_2} = 0$

$V(\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}) = \frac{V_{out}}{R_2}$

$V (\frac{R_1 + R_2}{R_1 R_2}) = \frac{V_{out}}{R_2}$

$V = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{out}$

الآن، دعنا نفترض أن مخرج التريجر شميت عالي. في هذه الحالة،

$V_{out} = V_H \quad and \quad V=V_1$

وبالتالي، من المعادلة أعلاه؛

$V_1 = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{H}$

عندما يكون الإشارة المدخلة أكبر من V1، يصبح مخرج التحويلة شميت منخفضًا. لذا، فإن V1 هو الجهد العتبة العلوي (VUT).

$V_{UT} = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{H}$

سيبقى المخرج منخفضًا حتى يكون الإشارة المدخلة أقل من V. عندما يكون مخرج التحويلة شميت منخفضًا، في هذه الحالة،

$V_{out} = V_L \quad and \quad V=V_2$

$V_2 = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{L}$

الآن، يبقى الإخراج مرتفعًا حتى يكون إشارة الإدخال أقل من V2. لذا، فإن V2 يُعرف بجهد العتبة السفلي (VLT).

$V_{LT} = \frac{R_1}{R_1 + R_2} \times V_{L}$

ทริกเกอร์ شميت غير مقلوب

في التريجر الشميت غير المقلوب، يتم تطبيق إشارة الإدخال على الطرف غير المقلوب لمكبر العمليات. ويتم تطبيق التغذية الراجعة الإيجابية من الإخراج إلى الإدخال. يتم توصيل الطرف المقلوب لمكبر العمليات بمدخل الأرض. مخطط الدائرة للترججر الشميت غير المقلوب كما هو موضح في الشكل أدناه.

في هذه الدائرة، سيكون الإخراج للمثلج الشميت عاليًا عندما يكون الجهد V أكبر من الصفر. وسيكون الإخراج منخفضًا عندما يكون الجهد V أقل من الصفر.

$V>0 , V_{out} = V_H$

$V<0 , V_{out} = V_L$

الآن، دعونا نجد معادلة الجهد V. من أجل ذلك، نطبق قانون كيرتشوف للتيار (KCL) عند هذا العقد.

$\frac{V-V_{in}}{R_1} + \frac{V-V_{out}}{R_2} = 0$

$\frac{V}{R_1} - \frac{V_{in}}{R_1} + \frac{V}{R_2} - \frac{V_{out}}{R_2} = 0$

$V \left(\frac{R_1 + R_2}{R_1 R_2} \right) = \frac{V_{in}}{R_1} + \frac{V_{out}}{R_2}$

$V = \frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} + \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{out}$

الآن، فلنفترض أن مخرج Op-Amp منخفض. لذا، فإن الجهد الخرجي للمحول Schmitt هو VL. والجهد V يساوي V1.

في هذه الحالة،

$V_{out} = V_L \quad and \quad V = V_1$

من المعادلة أعلاه،

$V_1 = \frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} + \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{L}$

عندما يكون الجهد V1 أكبر من الصفر، سيكون الإخراج عاليًا. في هذه الحالة،

$\frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} > - \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{L}$

$V_{in} > -\frac{R_1}{R_2} V_L$

عندما يتم استيفاء الشرط أعلاه، سيكون الإخراج عاليًا. لذا، فإن هذه المعادلة تعطي قيمة الجهد العتبة الأعلى (VUT).

$V_{UT} = - \frac{R_1}{R_2} V_L$

الآن افترض أن إخراج محفز شميت عالي. والجهد V يساوي V2.

$V_{out} = V_H \quad and \quad V = V_2$

من معادلة الجهد V.

$V2 = \frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} + \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{H}$

سيصبح إخراج Schmitt trigger منخفضًا عندما يكون الجهد V2 أقل من الصفر. في هذه الحالة،

$\frac{R_2}{R_1 + R_2} V_{in} < - \frac{R_1}{R_1 + R_2} V_{H}$

$\[ V_{in} < -\frac{R_1}{R_2} V_H$

يعطي المعادلة أعلاه قيمة الجهد العتبة السفلي (VLT).

$V_{LT} = -\frac{R_1}{R_2} V_H$

محفز شميت القائم على الترانزستورات

يمكن تصميم دارة محفز شميت باستخدام ترانزستورين. يتم تقديم مخطط الدارة لمحفز شميت القائم على الترانزستورات في الدارة أدناه.

Vin = الجهد المدخل
Vref = الجهد المرجعي = 5 فولت

لنفترض أن الجهد المدخل Vin يساوي صفرًا في البداية. يتم تزويد الجهد المدخل إلى قاعدة الترانزستور T1. لذلك، في هذه الحالة، يعمل الترانزستور T1 في منطقة القطع ولا يكون موصلًا.

Va و Vb هما جهد العقد. يتم توفير الجهد المرجعي بـ 5 فولت. لذا، يمكننا حساب قيمة Va و Vb باستخدام قاعدة تقسيم الجهد.

يتم تزويد الجهد Vb إلى القاعدة للمُشبع T2. وهو يبلغ 1.98 فولت. لذا، فإن المُشبع T2 يعمل. ونتيجة لذلك، يكون خرج مُثير شميت منخفضًا. الانخفاض في الباعث هو حوالي 0.7 فولت. لذا، يكون جهد القاعدة للمُشبع 1.28 فولت.

الباعث للمُشبع T2 متصل بالباعث للمُشبع T1. وبالتالي، يعمل كلا المُشبعين على نفس المستوى عند 1.28 فولت.

هذا يعني أن المُشبع T1 سيعمل عندما يكون الجهد المدخل 0.7 فولت فوق 1.28 فولت أو أكثر من 1.98 فولت (1.28 فولت + 0.7 فولت).

الآن، نزيد الجهد المدخل لأكثر من 1.98 فولت، وسيبدأ المُشبع T1 في العمل. هذا يتسبب في انخفاض الجهد في القاعدة للمُشبع T2 وسيقطع المُشبع T2. ونتيجة لذلك، يكون خرج مُثير شميت عاليًا.

يبدأ الجهد المدخل في الانخفاض. سيقطع المُشبع T1 عندما يكون الجهد المدخل أقل بـ 0.7 فولت من 1.98 فولت وهو 1.28 فولت. في هذه الحالة، يحصل المُشبع T2 على جهد كافٍ من الجهد المرجعي وسيتم تشغيله. وهذا يجعل خرج مُثير شميت منخفضًا.

لذا، في هذه الحالة، لدينا عتبتان، عتبة دنيا عند 1.28 فولت وعتبة عليا عند 1.98 فولت.

مُثير شميت المتذبذب

يمكن استخدام مُثير شميت كمتذبذب عن طريق ربط دارة متكاملة RC واحدة. مخطط الدارة لمُثير شميت المتذبذب كما هو موضح في الشكل أدناه.

الإخراج من الدائرة هو موجة مربعة مستمرة. وتقوم تردد الموجة على قيمة R و C ونقطة العتبة لمُنشِّط شميت.

$f = \frac{k}{RC}$

حيث k ثابت ويقع بين 0.2 و1.

مُنشِّط شميت CMOS

تعطي دائرة عكس الإشارة البسيطة إشارة خرج عكسية للإشارة الداخلة. فمثلاً، إذا كانت الإشارة الداخلة عالية، فإن إشارة الخرج ستكون منخفضة في دائرة العكس البسيطة. ولكن إذا كانت الإشارة الداخلة تحتوي على نتوءات (ضوضاء)، فإن إشارة الخرج ستتغير مع النتوء. وهذا ما لا نريده. لذلك، يتم استخدام مُنشِّط شميت CMOS.

في الشكل الأول، الإشارة الداخلة لا تحتوي على ضوضاء. لذا، فإن الخرج مثالي. ولكن في الشكل الثاني، الإشارة الداخلة تحتوي على بعض الضوضاء. والخرج يتفاعل أيضًا مع هذه الضوضاء. لتجنب هذا الوضع، يتم استخدام مُنشِّط شميت CMOS.

يوضح الرسم البياني أدناه تركيب مُنشِّط شميت CMOS. يتكون مُنشِّط شميت CMOS من 6 أشباه موصلات بما في ذلك الأشباه الموصلة PMOS و NMOS.

أولاً، يجب أن نعرف، ما هي الأشباه الموصلة PMOS و NMOS؟ رموز الأشباه الموصلة PMOS و NMOS موجودة في الشكل أدناه.

يقوم نصف الموصل NMOS بالتوصيل عندما يكون VG أكبر من VS أو VD. ونصف الموصل PMOS يقوم بالتوصيل عندما يكون VG أقل من VS أو VD. في مُنشِّط شميت CMOS، يتم إضافة نصف موصل PMOS ونصف موصل NMOS إلى دائرة العكس البسيطة.

في الحالة الأولى، يكون الجهد المدخل عاليًا. في هذه الحالة، يكون الترانزستور PN مفتوحًا والترانزستور NN مغلقًا. وهذا يخلق مسارًا إلى الأرض للعقدة A. لذا سيكون مخرج CMOS Schmitt trigger صفرًا.

في الحالة الثانية، يكون الجهد المدخل عاليًا. في هذه الحالة، يكون الترانزستور NN مفتوحًا والترانزستور PN مغلقًا. وسيخلق هذا مسارًا إلى الجهد VDD (عالي) للعقدة B. لذا سيكون مخرج CMOS Schmitt trigger عاليًا.