Trigger Schmitt: چیست و چگونه کار می‌کند

ميدان: Electrical Basics

China

چیست این سیمیت تریگر؟

یک سیمیت تریگر مدار مقایسه‌گر با حیستان است که با اعمال بازخورد مثبت به ورودی غیر معکوس یک مقایسه‌گر یا دیفرانسیل تعویض‌کننده پیاده‌سازی می‌شود. سیمیت تریگر از دو آستانه ورودی مختلف برای جلوگیری از نویز در سیگنال ورودی استفاده می‌کند. عملکرد از این آستانه‌های دوگانه به عنوان حیستان شناخته می‌شود.

سیمیت تریگر توسط دانشمند آمریکایی اتو اچ شمیت در سال ۱۹۳۴ اختراع شد.

مقایسه‌گر عادی فقط یک سیگنال آستانه دارد. و این آستانه را با سیگنال ورودی مقایسه می‌کند. اما، اگر سیگنال ورودی نویز داشته باشد، ممکن است سیگنال خروجی را تحت تأثیر قرار دهد. a schmitt trigger.png

در شکل بالا، به دلیل نویز در محل‌های A و B، سیگنال ورودی (V1) سطح سیگنال مرجع (V2) را عبور می‌کند. در طول این دوره، V1 کمتر از V2 است و خروجی پایین است.

بنابراین، خروجی مقایسه‌گر توسط نویز در سیگنال ورودی تحت تأثیر قرار می‌گیرد. و مقایسه‌گر از نویز محافظت نمی‌شود.

واژه "تریگر" در نام "سیمیت تریگر" از این حقیقت ناشی می‌شود که خروجی مقدار خود را حفظ می‌کند تا زمانی که ورودی به اندازه کافی تغییر کند تا "تریگر" شود.

سیمیت تریگر چگونه کار می‌کند؟

سیمیت تریگر حتی اگر سیگنال ورودی نویز داشته باشد، نتایج صحیحی می‌دهد. از دو ولتاژ آستانه استفاده می‌کند؛ یکی ولتاژ آستانه بالا (VUT) و دیگری ولتاژ آستانه پایین (VLT).

خروجی سیمیت تریگر تا زمانی که سیگنال ورودی VUT را عبور نکند، پایین باقی می‌ماند. هنگامی که سیگنال ورودی این حد VUT را عبور کند، خروجی سیمیت تریگر تا زمانی که سیگنال ورودی پایین‌تر از VLT باشد، بالا می‌ماند.

بیایید با یک مثال کارکرد سیمیت تریگر را بفهمیم. در اینجا فرض می‌کنیم که ورودی اولیه صفر است.

اثر نویز با تریگر شمیت

در اینجا فرض کرده‌ایم که سیگنال ورودی اولیه صفر است و به تدریج افزایش می‌یابد، همان‌طور که در شکل بالا نشان داده شده است.

سیگنال خروجی تریگر شمیت تا نقطه A پایین می‌ماند. در نقطه A، سیگنال ورودی بالاتر از حد آستانه بالا (VUT) می‌رسد و یک سیگنال خروجی بالا ایجاد می‌کند.

سیگنال خروجی تا نقطه B بالا می‌ماند. در نقطه B، سیگنال ورودی پایین‌تر از حد آستانه پایین می‌آید و این باعث می‌شود که سیگنال خروجی پایین شود.

و دوباره در نقطه C، وقتی سیگنال ورودی بالاتر از حد آستانه بالا می‌رسد، خروجی بالا می‌شود.

در این شرایط می‌توانیم ببینیم که سیگنال ورودی نویزدار است. اما نویز در سیگنال خروجی تأثیر نمی‌گذارد.

مدار تریگر شمیت

مدار تریگر شمیت از بازخورد مثبت استفاده می‌کند. بنابراین، این مدار همچنین به عنوان مدار مقایسه‌کننده بازیابی شناخته می‌شود. مدار تریگر شمیت می‌تواند با استفاده از آپ‌آمپ و ترانزیستور طراحی شود. و به دو گروه تقسیم می‌شود؛

تریگر شمیت مبتنی بر آپ‌آمپ
تریگر شمیت مبتنی بر ترانزیستور

تریگر شمیت مبتنی بر آپ‌آمپ

مدار تریگر شمیت می‌تواند به دو روش با استفاده از آپ‌آمپ طراحی شود. اگر سیگنال ورودی به نقطه عکس‌سازی آپ‌آمپ متصل شود، به آن تریگر شمیت عکس‌سازی می‌گویند. و اگر سیگنال ورودی به نقطه غیرعکس‌سازی آپ‌آمپ متصل شود، به آن تریگر شمیت غیرعکس‌سازی می‌گویند.

تریگر شمیت عکس‌سازی

در این نوع تریگر شمیت، ورودی در ترمینال معکوس‌کننده آپ‌آم داده می‌شود. و بازخورد مثبت از خروجی به ورودی.

اکنون، بیایید بفهمیم که این مدار چگونه کار می‌کند. در نقطه A، ولتاژ V است و ولتاژ اعمال شده (ولتاژ ورودی) Vin است. اگر ولتاژ اعمال شده Vin بزرگتر از V باشد، خروجی مدار پایین خواهد بود. و اگر ولتاژ اعمال شده Vin کوچکتر از V باشد، خروجی مدار بالا خواهد بود.

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

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

اکنون، معادله V را محاسبه کنید.

با اعمال قانون جریان کیرشهف (KCL)،

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

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

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

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

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

حالاً فرض کنید خروجی تریگر شمیت بالاست. در این حالت،

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

پس از معادله بالا؛

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

وقتی سیگنال ورودی بیشتر از V1 باشد، خروجی تریگر شمیت پایین می‌آید. بنابراین، V1 ولتاژ آستانه بالایی (VUT) است.

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

خروجی تا زمانی که سیگنال ورودی کمتر از V باشد، پایین خواهد ماند. وقتی خروجی تریگر شمیت پایین است، در این حالت،

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

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

حالا، خروجی تا زمانی که سیگنال ورودی کمتر از V2 باشد بالا می‌ماند. بنابراین، V2 به عنوان ولتاژ آستانه پایین (VLT) شناخته می‌شود.

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

ویژگی‌گیر غیرمعکوس شمیت

در ویژگی‌گیر غیرمعکوس شمیت، سیگنال ورودی در ترمینال غیرمعکوس Op-Amp اعمال می‌شود. و بازخورد مثبت از خروجی به ورودی اعمال می‌شود. ترمینال معکوس Op-Amp به ترمینال زمین متصل می‌شود. نمودار مدار ویژگی‌گیر غیرمعکوس شمیت در شکل زیر نشان داده شده است.

در این مدار، خروجی ویژگی‌گیر شمیت هنگامی که ولتاژ V بزرگتر از صفر باشد بالا خواهد بود. و خروجی هنگامی که ولتاژ V کمتر از صفر باشد پایین خواهد بود.

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

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

اکنون، بیایید معادله ولتاژ V را پیدا کنیم. برای این منظور، ما KCL را در آن گره اعمال می‌کنیم.

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

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

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

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

حالاً فرض کنید خروجی Op-Amp پایین است. بنابراین، ولتاژ خروجی Schmitt trigger برابر با VL می‌باشد. و ولتاژ V برابر با V1 است.

در این شرایط،

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

از معادله فوق،

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

وقتی ولتاژ V۱ بزرگتر از صفر باشد، خروجی بالا می‌رود. در این شرایط،

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

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

وقتی این شرایط برقرار است، خروجی بالا می‌رود. بنابراین، این معادله مقدار ولتاژ آستانه بالایی (VUT) را مشخص می‌کند.

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

حال فرض کنید که خروجی تریگر شمیت بالاست. و ولتاژ V برابر با V۲ است.

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

از معادله ولتاژ V.

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

خروجی تریگر شمیت زمانی که ولتاژ V2 کمتر از صفر باشد، پایین خواهد رفت. در این شرایط،

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

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

معادله فوق مقدار ولتاژ آستانه پایین (VLT) را ارائه می‌دهد.

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

триگر شمیت براساس ترانزیستور

مدار тригر شمیت می‌تواند با استفاده از دو ترانزیستور طراحی شود. نمودار مدار триگر شمیت براساس ترانزیستور در زیر ارائه شده است.

Vin = ولتاژ ورودی
Vref = ولتاژ مرجع = ۵V

بیایید فرض کنیم که در شروع، ولتاژ ورودی Vin صفر است. ولتاژ ورودی به قطعه پایه ترانزیستور T1 داده می‌شود. بنابراین، در این شرایط، ترانزیستور T1 در منطقه برش عمل می‌کند و غیرهادی می‌ماند.

Va و Vb ولتاژ گره هستند. ولتاژ مرجع ۵V است. بنابراین، می‌توانیم مقدار Va و Vb را با استفاده از قاعده تقسیم‌کننده ولتاژ محاسبه کنیم.

ولت تنس‌بنده به پایه‌ی ترانزیستور T2 داده می‌شود. و این ولت ۱.۹۸ ولت است. بنابراین، ترانزیستور T2 در حال رسانش است. و به دلیل این، خروجی سیمیت تریگر کم است. فاصله‌ی ولت در امیتر حدود ۰.۷ ولت است. بنابراین، ولت پایه‌ی ترانزیستور ۱.۲۸ ولت است.

امیتر ترانزیستور T2 با امیتر ترانزیستور T1 متصل شده است. بنابراین، هر دو ترانزیستور در سطح یکسان ۱.۲۸ ولت عمل می‌کنند.

این بدان معناست که ترانزیستور T1 زمانی که ولت ورودی ۰.۷ ولت بالاتر از ۱.۲۸ ولت یا بیش از ۱.۹۸ ولت (۱.۲۸ ولت + ۰.۷ ولت) باشد، عمل می‌کند.

حالا، ما ولت ورودی را بیش از ۱.۹۸ ولت افزایش می‌دهیم، و ترانزیستور T1 شروع به رسانش می‌کند. این باعث کاهش ولت پایه‌ی ترانزیستور T2 می‌شود و آن را قطع می‌کند. و به دلیل این، خروجی سیمیت تریگر بالا است.

ولت ورودی شروع به کاهش می‌کند. ترانزیستور T1 زمانی که ولت ورودی ۰.۷ ولت کمتر از ۱.۹۸ ولت و ۱.۲۸ ولت باشد، قطع می‌شود. در این حالت، ترانزیستور T2 ولت کافی از ولت مرجع دریافت می‌کند و روشن می‌شود. این باعث می‌شود خروجی سیمیت تریگر کم باشد.

بنابراین، در این حالت، ما دو آستانه داریم، آستانه‌ی پایین در ۱.۲۸ ولت و آستانه‌ی بالا در ۱.۹۸ ولت.

وسیله‌ی نوسان‌ساز سیمیت تریگر

سیمیت تریگر می‌تواند به عنوان یک نوسان‌ساز با اتصال یک مدار RC یکپارچه استفاده شود. نمودار مدار نوسان‌ساز سیمیت تریگر به صورت زیر نشان داده شده است.

خروجی مدار موج مربعی مداوم است. و فرکانس شکل موج به ارزش R، C و نقطه آستانه میخکننده اسکمیت بستگی دارد.

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

که در آن k ثابتی است و مقدار آن بین ۰.۲ تا ۱ متغیر است.

میخکننده اسکمیت CMOS

مدار معکوس‌کننده سیگنال ساده خروجی مخالف سیگنال ورودی را می‌دهد. برای مثال، اگر سیگنال ورودی بالا باشد، سیگنال خروجی برای مدار معکوس‌کننده ساده پایین است. اما اگر سیگنال ورودی نویز (پیک) داشته باشد، سیگنال خروجی به پیک واکنش نشان می‌دهد که این چیزی نیست که می‌خواهیم. بنابراین، از میخکننده اسکمیت CMOS استفاده می‌شود.

در اولین شکل موج، سیگنال ورودی بدون نویز است. بنابراین، خروجی کامل است. اما در شکل دوم، سیگنال ورودی نویز دارد. خروجی نیز به این نویز واکنش نشان می‌دهد. برای جلوگیری از این شرایط، از میخکننده اسکمیت CMOS استفاده می‌شود.

نمودار مدار زیر ساختار میخکننده اسکمیت CMOS را نشان می‌دهد. میخکننده اسکمیت CMOS شامل ۶ ترانزیستور شامل PMOS و NMOS است.

ابتدا باید بدانیم که PMOS و NMOS ترانزیستور چیست؟ نمادهای PMOS و NMOS ترانزیستور در شکل زیر نشان داده شده است.

ترانزیستور NMOS وقتی VG بیشتر از VS یا VD باشد رسانایی دارد. و ترانزیستور PMOS وقتی VG کمتر از VS یا VD باشد رسانایی دارد. در میخکننده اسکمیت CMOS، یک ترانزیستور PMOS و یک ترانزیستور NMOS به مدار معکوس‌کننده ساده اضافه می‌شوند.

در اولین حالت، ولتاژ ورودی بالا است. در این شرایط، ترانزیستور PN روشن است و ترانزیستور NN خاموش است. و این مسیری به زمین برای گره A ایجاد می‌کند. بنابراین، خروجی CMOS Schmitt trigger صفر خواهد بود.

در دومین حالت، ولتاژ ورودی بالا است. در این شرایط، ترانزیستور NN روشن است و ترانزیستور PN خاموش است. این مسیری به ولتاژ VDD (بالا) برای گره B ایجاد می‌کند. بنابراین، خروجی CMOS Schmitt trigger بالا خواهد بود.