Schmitt Trigger: Kio ĝi estas kaj kiel ĝi funkcias?

Kampo: Baza Elektrotekniko

China

Kio estas Ŝmita Trogilo?

Ŝmita Trogilo estas komparilo cirkvito kun historioze implementita per apliko de pozitiva retroalimentado al la neinversiga enigo de komparilo aŭ diferenciala forstultigilo. Ŝmita Trogilo uzas duajn enigajn malsamajn limojn de voltaĝo por eviti bruon en la eniga signalo. La ago de ĉi tiu dua-limvalora sistemo estas konata kiel historiozo.

La Ŝmita Trogilo estis inventita de la amerika sciencisto Otto H Schmitt en 1934.

Normala komparilo enhavas nur unu liman signalon. Kaj ĝi komparas la liman signalon kun eniga signalo. Sed, se la eniga signalo havas bruo, ĝi povas influigi la eligan signalon. a schmitt trigger.png

En la supra figuro, pro la bruo je lokoj A kaj B, la eniga signalo (V1) transpasas la nivelo de la referenca signalo (V2). Dum ĉi tiu periodo, V1 estas malpli ol V2 kaj la eligo estas malalta.

Do, la eligo de la komparilo estas influigita de la bruo en la eniga signalo. Kaj la komparilo ne estas protektita kontraŭ la bruo.

La “trogilo” en la nomo “Ŝmita Trogilo” venas de la fakto, ke la eligo daŭrigas sian valoron ĝis la enigo sufiĉe ŝanĝiĝas por “trigili” ŝanĝon.

Kiel funkcias Ŝmita Trogilo?

La Ŝmita trogilo donas pruvitajn rezultojn eĉ se la eniga signalo estas bruema. Ĝi uzas duajn limajn voltaĝojn; unu estas la supera lima voltaĝo (VUT) kaj la dua estas la suba lima voltaĝo (VLT).

La eligo de la Ŝmita trogilo restas malalta ĝis la eniga signalo transpasas VUT. Kiam la eniga signalo transpasas ĉi tiun limon VUT, la eliga signalo de la Ŝmita trogilo restas alta ĝis la eniga signalo estas sub la nivelo de VLT.

Kompreneble, ni analizu la funkcion de Ŝmita trogilo per ekzemplo. Ni supozu, ke la komenca enigo estas nul.

Bruoefekto de bruo kun Schmitt Trigger

Ĉi tie ni supozis, ke la komenca eniga signalo estas nul kaj ĝi pligrandigas graduale, kiel montrite supre.

La eliga signalo de la Schmitt trigger restas malalta ĝis punkto A. En punkto A, la eniga signalo superpasas la supran limon (VUT) kaj ĝi produktas altan eligan signalon.

La eliga signalo restas alta ĝis punkto B. En punkto B, la eniga signalo subpasas la suban limon. Kaj tio faras la eligan signalon malaltan.

Kaj denove, en punkto C, kiam la eniga signalo superpasas la supran limon, la eligo estas alta.

En ĉi tiu kondiĉo, ni povas vidi, ke la eniga signalo estas bruanta. Sed la bruado ne afektas la eligan signalon.

Schmitt Trigger Circuit

La cirkvito de Schmitt trigger uzas pozitivan retroalimentadon. Tial, ĉi tiu cirkvito ankaŭ estas konata kiel regenera komparilo-cirkvito. La Schmitt Trigger cirkvito povas esti disvolvita kun la helpo de Operacian Amplifikilo kaj Transistoro. Kaj ĝi estas klasifita kiel:

Operacia-amplifikila bazita Schmitt trigger
Transistor-bazita Schmitt trigger

Operacia-Amplifikila Bazita Schmitt Trigger

La cirkvito de Schmitt trigger povas esti disvolvita per Operacia Amplifikilo en du manieroj. Se la eniga signalo estas konektita al la inversa punkto de la Operacia Amplifikilo, ĝi estas konata kiel Inversa Schmitt Trigger. Kaj se la eniga signalo estas konektita al la neinversa punkto de la Operacia Amplifikilo, ĝi estas konata kiel Neinversa Schmitt Trigger.

Inversa Schmitt Trigger

En tiu tipo de Schmitt-triggero, la enigo estas donita je la inversiga terminalo de operaciumplificilo. Kaj pozitiva retroalinformado de la eligo al la enigo.

Nun, komprenu kiel ĉi tiu cirkvito funkcias. Je punkto A, la voltajo estas V kaj la aplikata voltajo (eniga voltajo) estas Vin. Se la aplikata voltajo Vin estas pli granda ol V, la eligo de la cirkvito estos malalta. Kaj se la aplikata voltajo Vin estas malpli ol V, la eligo de la cirkvito estos alta.

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

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

Nun, kalkulu la ekvacion de V.

Aplikante Kirchhoff’s Current Law (KCL),

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

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

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

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

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

Nun, supozu ke la eligo de la Schmitt-triggero estas alta. En ĉi tiu kondiĉo,

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

Do tiala ekvacio montras ke

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

Se la eniga signalo estas pli granda ol V1, la eligo de la Schmitt-trigilo iĝos malalta. Tial, V1 estas la supra limvaltenco (VUT).

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

La eligo restos malalta ĝis la eniga signalo estas malpli granda ol V. Kiam la eligo de la Schmitt-trigilo estas malalta, en tiu kondiĉo,

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

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

Nun, la eligo restas alta ĝis la eniga signalo estas malpli ol V2. Tial, V2 estas konata kiel suba limvaltenseco (VLT).

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

Nek-inversiganta Schmitt-trigilo

En nek-inversiganta Schmitt-trigilo, la eniga signalo estas aplikata al la nek-inversiganta terminalo de la operaciamplifikilo. Pozitiva retroalimentado estas aplikata de la eligo al la enigo. La inversiganta terminalo de la operaciamplifikilo estas konektita al la terma terminalo. La cirkvita diagramo de la nek-inversiganta Schmitt-trigilo estas montrata en la suba figuro.

En ĉi tiu cirkvito, la eligo de la Schmitt-trigilo estos alta kiam la tensio V estas pli granda ol nul. Kaj la eligo estos malalta kiam la tensio V estas malpli ol nul.

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

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

Nun, trovu la ekvacion de la voltago V. Por tio, ni aplikas KCL al tiu nodo.

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

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

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

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

Nun, supozu ke la eldonado de Op-Amp estas malalta. Tial, la eldonita voltoĝo de la Schmitt-trigilo estas VL. Kaj la voltoĝo V egalas al V1.

En ĉi tiu kondiĉo,

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

El la supre donita ekvacio,

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

Kiam la voltado V1 estas pli granda ol nul, la eligo estos alta. En ĉi tiu kondiĉo,

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

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

Kiam la supre menciita kondiĉo estas plenumita, la eligo estos alta. Do, ĉi tiu ekvacio donas la valoron de la supra lima voltado (VUT).

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

Nun supozu, ke la eligo de la Schmitt-trigilo estas alta. Kaj la voltado V egalas al V2.

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

Elŝutante la ekvacion de tensio V.

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

La eligo de la Schmitt-trigilo iĝos malalta kiam la tensio V2 estas pli malgranda ol nul. En ĉi tiu kondiĉo,

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

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

La supra ekvacio donas la valoron de la suba lima voltado (VLT).

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

Transtransistora Schmitt-Trigilo

La Schmitt-trigila cirkvo povas esti disvolvita kun la helpo de du transistoroj. La cirkvdiagramo de la transtransistora Schmitt-trigilo estas montrita en la suba cirkvo.

Vin = eniga voltado
Vref = Referenca voltado = 5V

Supozu, ke je la komenco, la eniga voltado Vin estas nul. La eniga voltado estas donata al la bazo de la transistro T1. Tial, en ĉi tiu kondiĉo, la transistro T1 funkcias en la fortranĉa regiono kaj restas nekondukanta.

Va kaj Vb estas nodo-voltadoj. La referenca voltado estas donita 5V. Do, ni povas kalkuli la valoron de Va kaj Vb per la regulo de dividita voltado.

Voltado Vb estas donita al la bazo de tranzistoro T2. Kaj ĝi estas 1,98V. Tial, la tranzistoro T2 estas konduktanta. Kaj pro tio, la eligo de la Schmitt-triggero estas malalta. La falo je emito estas ĉirkaŭ 0,7V. Do, la voltado de la bazo de la tranzistoro estas 1,28V.

La emito de tranzistoro T2 estas konektita kun la emito de tranzistoro T1. Tial, ambaŭ tranzistoroj operacias je la sama nivelo je 1,28V.

Tio signifas, ke la tranzistoro T1 estos operacia kiam la eniga voltado estas 0,7V pli alta ol 1,28V aŭ pli alta ol 1,98V (1,28V + 0,7V).

Nun, ni pligrandigas la enigan voltadon pli ol 1,98V, kaj la tranzistoro T1 komencos kondukti. Tio kaŭzas voltadan falon je la bazo de tranzistoro T2 kaj ĝi ŝaltos for la tranzistoron T2. Kaj pro tio, la eligo de la Schmitt-triggero estas alta.

La eniga voltado komencas malpliiĝi. La tranzistoro T1 ŝaltilos for kiam la eniga voltado estas 0,7V malpli ol 1,98V, kaj ĝi estas 1,28V. En tiu kondiĉo, la tranzistoro T2 ricevas sufiĉan voltadon de la referenca voltado, kaj ĝi ŝaltos on. Tio faras la eligon de la Schmitt-triggero malaltan.

Do, en tiu kondiĉo, ni havas du limojn, malaltan limon je 1,28V kaj altan limon je 1,98V.

Schmitt-triggera oscilatoro

La Schmitt-triggero povas esti uzata kiel oscil a toro per konektado de ununura RC-integrita cirkvito. La cirkvita diagramo de la Schmitt-triggera oscilatoro estas montrita en la suba figuro.

Cirkvaĵo eldonas kontinuan kvadratan ondon. La frekvenco de la ondo dependas de la valoroj de R, C kaj limvaloro de Schmitt Trigger.

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

Kie k estas konstanto kaj ĝi varias inter 0.2 kaj 1.

CMOS Schmitt Trigger

Simpla signalinversiga cirkvito donas kontraŭan eldonon al la enigo. Ekzemple, se la eniga signalo estas alta, la eldona signalo estas malalta por simpla inversiga cirkvito. Sed se la eniga signalo havas spike'ojn (bruon), la eldona signalo reagas al la spike'oj. Tio ne estas dezirinda. Pro tio, CMOS Schmitt trigger estas uzata.

Ondformo de simpla signalinversiga cirkvito

En la unua ondformo, la eniga signalo ne havas bruo. Do, la eldono estas perfekta. Sed en la dua figuro, la eniga signalo havas iom da bruo. La eldona signalo ankaŭ reagas al tiu bruo. Por eviti tion, CMOS Schmitt trigger estas uzata.

Suba cirkvitoskemo montras la konstruon de la CMOS Schmitt trigger. La CMOS Schmitt Trigger konsistas el 6 tranzistoroj inkluzive PMOS kaj NMOS tranzistoroj.

Unue, ni devas scii, kio estas PMOS kaj NMOS tranzistoroj? La simboloj de PMOS kaj NMOS tranzistoroj estas en la suba figuro.

NMOS tranzistoro kondukas kiam VG estas pli granda ol VS aŭ VD. Kaj PMOS tranzistoro kondukas kiam VG estas malpli granda ol VS aŭ VD. En CMOS Schmitt trigger, unu PMOS kaj unu NMOS tranzistoroj estas aldonaĵoj en simpla inversiga cirkvito.

En la unua okazo, la eniga voltado estas alta. En ĉi tiu kondiĉo, la PN tranzistoro estas ENA kaj la NN tranzistoro estas MALENA. Kaj ĝi kreis vojon al tero por nodo-A. Do, la eligo de la CMOS Schmitt trigger estos nul.

En la dua okazo, la eniga voltado estas alta. En ĉi tiu kondiĉo, la NN tranzistoro estas ENA kaj la PN tranzistoro estas MALENA. Ĝi kreos vojon al voltado VDD (Alta) por nodo-B. Do, la eligo de la CMOS Schmitt trigger estos alta.

Aplikoj de Schmitt Trigger

La aplikoj de Schmitt trigger estas jenaj.

Schmitt trigger estas uzata por konverti sinusan ondon kaj triangulan ondon en kvadratan ondon.
La plej grava uzo de Schmitt triggers estas forigi bruon en cifereca cirkvito.
Ĝi ankaŭ estas uzata kiel funkcigenerilo.
Ĝi estas uzata por realigi osciladon.
Schmitt triggers kun la RC cirkvito estas uzataj por kontakto-debouncing.

Fonto: Electrical4u.

Deklaro: Respektu la originalon, bonaj artikoloj valoras dissendi, se estas kradoj pro priŝtato kontaktu por forigi.

Donaci kaj enkuragigu la aŭtoron

Temojn:

Cirkvita Teorio

Schmita Triggero

Pri ekspertoj

Electrical4u

China