Schmitt-Trigger: Was ist das und wie funktioniert er?

Feld: Grundlagen der Elektrotechnik

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Was ist ein Schmitt-Trigger?

Ein Schmitt-Trigger ist ein Vergleicherschaltkreis mit Hysterese, der durch die Anwendung positiver Rückkopplung an den nichtinvertierenden Eingang eines Vergleichers oder Differenzverstärkers implementiert wird. Ein Schmitt-Trigger verwendet zwei verschiedene Schwellenspannungen, um Rauschen im Eingangssignal zu vermeiden. Die Wirkung dieser doppelt-threshold-basierten Aktion wird als Hysterese bezeichnet.

Der Schmitt-Trigger wurde 1934 vom amerikanischen Wissenschaftler Otto H. Schmitt erfunden.

Ein normaler Vergleicher enthält nur eine Schwellenspannung. Er vergleicht diese Schwellenspannung mit einem Eingangssignal. Wenn das Eingangssignal jedoch Rauschen aufweist, kann dies das Ausgangssignal beeinflussen. a schmitt trigger.png

In der obigen Abbildung übersteigt das Eingangssignal (V1) aufgrund des Rauschens an den Positionen A und B die Ebene des Referenzsignals (V2). Während dieser Zeit ist V1 kleiner als V2 und das Ausgangssignal ist niedrig.

Daher wird das Ausgangssignal des Vergleichers durch das Rauschen im Eingangssignal beeinflusst. Der Vergleicher ist nicht vor dem Rauschen geschützt.

Die Bezeichnung „Trigger“ im Namen „Schmitt-Trigger“ stammt daher, dass das Ausgangssignal seinen Wert beibehält, bis das Eingangssignal ausreichend variiert, um eine Änderung „zu triggern“.

Wie funktioniert ein Schmitt-Trigger?

Der Schmitt-Trigger liefert auch bei rauschbehafteten Eingangssignalen korrekte Ergebnisse. Er verwendet zwei Schwellenspannungen; eine ist die obere Schwellenspannung (VUT) und die zweite die untere Schwellenspannung (VLT).

Das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers bleibt niedrig, bis das Eingangssignal VUT überschreitet. Sobald das Eingangssignal diese Grenze VUT überschreitet, bleibt das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers hoch, bis das Eingangssignal unter die Ebene von VLT fällt.

Lassen Sie uns das Funktionieren des Schmitt-Triggers an einem Beispiel verstehen. Hier nehmen wir an, dass der anfängliche Eingang null ist.

Rauscheffekt mit Schmitt-Trigger

Hier wurde angenommen, dass das anfängliche Eingangssignal Null ist und es sich wie in der obigen Abbildung gezeigt allmählich erhöht.

Das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers bleibt bis zum Punkt A niedrig. Im Punkt A überschreitet das Eingangssignal die Stufe der oberen Schwelle (VUT) und erzeugt ein hohes Ausgangssignal.

Das Ausgangssignal bleibt bis zum Punkt B hoch. Im Punkt B fällt das Eingangssignal unter die untere Schwelle. Dies führt zu einem niedrigen Ausgangssignal.

Und wieder im Punkt C, wenn das Eingangssignal die obere Schwelle überschreitet, wird das Ausgangssignal hoch.

In dieser Situation können wir sehen, dass das Eingangssignal rauschbedingt ist. Allerdings beeinflusst das Rauschen das Ausgangssignal nicht.

Schmitt-Trigger-Schaltung

Die Schmitt-Trigger-Schaltung verwendet positive Rückkopplung. Daher wird diese Schaltung auch als regenerativer Vergleicherschaltung bezeichnet. Die Schmitt-Trigger-Schaltung kann mit Hilfe eines Operationsverstärkers (Op-Amp) und eines Transistors entworfen werden. Sie wird klassifiziert als:

Op-Amp-basierter Schmitt-Trigger
Transistor-basierter Schmitt-Trigger

Op-Amp-basierter Schmitt-Trigger

Die Schmitt-Trigger-Schaltung kann auf zwei Arten mit einem Op-Amp entworfen werden. Wenn das Eingangssignal am Invertierpunkt des Op-Amps angeschlossen ist, wird es als invertierender Schmitt-Trigger bezeichnet. Und wenn das Eingangssignal am Nicht-Invertierpunkt des Op-Amps angeschlossen ist, wird es als nicht-invertierender Schmitt-Trigger bezeichnet.

Invertierender Schmitt-Trigger

In diesem Schmitt-Trigger wird das Eingangssignal an der invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angelegt. Es gibt eine positive Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang.

Nun lass uns verstehen, wie dieser Schaltkreis funktioniert. Am Punkt A ist die Spannung V und die angewendete Spannung (Eingangsspannung) ist Vin. Wenn die angewendete Spannung Vin größer als V ist, wird das Ausgangssignal niedrig. Und wenn die angewendete Spannung Vin kleiner als V ist, wird das Ausgangssignal hoch.

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

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

Berechnen wir nun die Gleichung für V.

Wenden wir den Kirchhoffschen Stromgesetz (KCL) an,

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

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

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

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

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

Nehmen wir nun an, dass die Ausgabe des Schmitt-Triggers hoch ist. In dieser Bedingung,

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

Daraus folgt aus der obigen Gleichung;

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

Wenn das Eingangssignal größer als V1 ist, wird der Ausgang des Schmitt-Triggers niedrig. Daher ist V1 die obere Schwellenspannung (VUT).

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

Der Ausgang bleibt niedrig, bis das Eingangssignal kleiner als V ist. Wenn der Ausgang des Schmitt-Triggers niedrig ist, gilt in diesem Fall,

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

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

Nun bleibt das Ausgangssignal hoch, bis das Eingangssignal kleiner als V2 ist. Daher wird V2 als untere Schwellenspannung (VLT) bezeichnet.

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

Nicht invertierender Schmitt-Trigger

Bei einem nicht invertierenden Schmitt-Trigger wird das Eingangssignal an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers (Op-Amp) angelegt. Eine positive Rückkopplung wird vom Ausgang zum Eingang angewendet. Der invertierende Eingang des Op-Amps ist mit dem Masseanschluss verbunden. Das Schaltbild eines nicht invertierenden Schmitt-Triggers ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

In diesem Schaltkreis ist das Ausgangssignal des Schmitt-Triggers hoch, wenn die Spannung V größer als Null ist. Und das Ausgangssignal ist niedrig, wenn die Spannung V kleiner als Null ist.

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

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

Nun finden wir die Gleichung für die Spannung V. Dafür wenden wir KCL an diesem Knoten an.

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

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

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

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

Nehmen wir an, dass die Ausgabe des Operationsverstärkers niedrig ist. Daher beträgt die Ausgangsspannung des Schmitt-Triggers VL. Und die Spannung V entspricht V1.

In dieser Bedingung,

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

Aus der obigen Gleichung,

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

Wenn die Spannung V1 größer als Null ist, wird der Ausgang hoch. In diesem Zustand,

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

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

Wenn die obige Bedingung erfüllt ist, wird der Ausgang hoch. Daher gibt diese Gleichung den Wert der oberen Schwellenspannung (VUT) an.

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

Nehmen wir nun an, dass der Ausgang des Schmitt-Triggers hoch ist. Und die Spannung V entspricht V2.

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

Aus der Gleichung für die Spannung V.

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

Der Ausgang des Schmitt-Trigger wird niedrig, wenn die Spannung V2 kleiner als Null ist. In diesem Zustand,

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

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

Die obige Gleichung gibt den Wert der unteren Schwellenspannung (VLT).

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

Transistorgesteuerter Schmitt-Trigger

Das Schmitt-Trigger-Schaltkreis kann mit Hilfe von zwei Transistoren entworfen werden. Das Schaltbild des transistorgesteuerten Schmitt-Triggers ist im folgenden Schaltbild dargestellt.

Vin = Eingangsspannung
Vref = Referenzspannung = 5V

Nehmen wir an, dass am Anfang die Eingangsspannung Vin null ist. Die Eingangsspannung wird an die Basis des Transistors T1 angelegt. In diesem Zustand arbeitet der Transistor T1 im Sperrbereich und bleibt nicht leitend.

Va und Vb sind Knotenspannungen. Die Referenzspannung beträgt 5V. Daher können wir den Wert von Va und Vb nach dem Spannungsteilerprinzip berechnen.

Die Spannung Vb wird an die Basis des Transistors T2 gegeben. Sie beträgt 1,98V. Daher leitet der Transistor T2. Aufgrund dessen ist das Ausgangssignal des Schmitt-Trigger niedrig. Der Spannungsabfall an der Emitter ist etwa 0,7V. Somit beträgt die Basisspannung des Transistors 1,28V.

Der Emitter des Transistors T2 ist mit dem Emitter des Transistors T1 verbunden. Daher arbeiten beide Transistoren auf dem gleichen Niveau von 1,28V.

Das bedeutet, dass der Transistor T1 arbeitet, wenn die Eingangsspannung 0,7V über 1,28V oder mehr als 1,98V (1,28V + 0,7V) liegt.

Nun erhöhen wir die Eingangsspannung über 1,98V, und der Transistor T1 beginnt zu leiten. Dies führt zu einem Spannungsabfall an der Basis des Transistors T2 und schaltet den Transistor T2 aus. Aufgrund dessen ist das Ausgangssignal des Schmitt-Trigger hoch.

Die Eingangsspannung fällt. Der Transistor T1 schaltet ab, wenn die Eingangsspannung 0,7V unter 1,98V liegt, was 1,28V entspricht. In diesem Zustand erhält der Transistor T2 genügend Spannung vom Referenzspannungsquelle und schaltet ein. Dies macht das Ausgangssignal des Schmitt-Trigger niedrig.

Daher haben wir in diesem Zustand zwei Schwellwerte, einen unteren Schwellwert bei 1,28V und einen höheren Schwellwert bei 1,98V.

Schmitt-Trigger-Oszillator

Der Schmitt-Trigger kann als Oszill ator verwendet werden, indem eine einzelne RC-Schaltung angeschlossen wird. Das Schaltbild des Schmitt-Trigger-Oszillators ist wie in der unten stehenden Abbildung dargestellt.

Das Ausgangssignal des Schaltkreises ist eine kontinuierliche Rechteckwelle. Die Frequenz der Welle hängt von den Werten von R, C und dem Schwellenpunkt des Schmitt-Triggers ab.

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

Dabei ist k eine Konstante, die zwischen 0,2 und 1 liegt.

CMOS Schmitt-Trigger

Ein einfacher Signalinverterschaltkreis gibt das gegenteilige Ausgangssignal zum Eingangssignal aus. Zum Beispiel, wenn das Eingangssignal hoch ist, ist das Ausgangssignal für einen einfachen Inverterschaltkreis niedrig. Wenn jedoch das Eingangssignal Störimpulse (Rauschen) hat, reagiert das Ausgangssignal auf diese Impulse. Das möchten wir vermeiden. Daher wird der CMOS Schmitt-Trigger verwendet.

Wellenform eines einfachen Signalinverterschaltkreises

In der ersten Wellenform enthält das Eingangssignal kein Rauschen. Daher ist das Ausgangssignal perfekt. In der zweiten Abbildung enthält das Eingangssignal jedoch Rauschen. Das Ausgangssignal reagiert auch auf dieses Rauschen. Um dies zu vermeiden, wird der CMOS Schmitt-Trigger verwendet.

Die folgende Schaltbild zeigt die Bauweise des CMOS Schmitt-Triggers. Der CMOS Schmitt-Trigger besteht aus 6 Transistoren, einschließlich PMOS- und NMOS-Transistoren.

Zunächst müssen wir wissen, was PMOS- und NMOS-Transistoren sind. Die Symbole für PMOS- und NMOS-Transistoren sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Der NMOS-Transistor leitet, wenn VG größer als VS oder VD ist. Der PMOS-Transistor leitet, wenn VG kleiner als VS oder VD ist. Im CMOS Schmitt-Trigger werden ein PMOS- und ein NMOS-Transistor in einem einfachen Inverterschaltkreis hinzugefügt.

Im ersten Fall ist die Eingangsspannung hoch. In dieser Bedingung ist der PN-Transistor ein und der NN-Transistor aus. Es entsteht somit ein Pfad zur Masse für Knoten A. Daher wird das Ausgangssignal des CMOS-Schmitt-Trigger Null.

Im zweiten Fall ist die Eingangsspannung ebenfalls hoch. In dieser Bedingung ist der NN-Transistor ein und der PN-Transistor aus. Es entsteht somit ein Pfad zur Spannung VDD (Hoch) für Knoten B. Daher wird das Ausgangssignal des CMOS-Schmitt-Trigger hoch.

Anwendungen des Schmitt-Trigger

Die Anwendungen des Schmitt-Trigger sind wie folgt.

Der Schmitt-Trigger wird verwendet, um eine Sinuswelle und eine Dreieckwelle in Rechteckwellen zu verwandeln.
Die wichtigste Anwendung des Schmitt-Trigger besteht darin, Rauschen in digitalen Schaltungen zu entfernen.
Er wird auch als Funktionsgenerator verwendet.
Er wird verwendet, um einen Oszillator zu implementieren.
Schmitt-Trigger mit dem RC-Kreis werden zur Entprellung von Schaltern verwendet.

Quelle: Electrical4u.

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