تریگر شمیت: چیست و چگونه کار می‌کند

فیلد: مقدماتی برق

China

چه کسی تریگر شمیت است؟

یک تریگر شمیت یک مدار مقایسه‌گر با هیسترزیس است که با اعمال فیدبک مثبت به ورودی غیرنقطه‌ای یک مقایسه‌گر یا تقویت‌کننده تفعیل‌کننده پیاده‌سازی می‌شود. تریگر شمیت از دو آستانه ورودی مختلف برای جلوگیری از نویز در سیگنال ورودی استفاده می‌کند. عملکرد از این دو آستانه دوتایی به عنوان هیسترزیس شناخته می‌شود.

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

مقایسه‌گر عادی فقط یک سیگنال آستانه دارد. و آن سیگنال آستانه را با یک 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 مکان‌های 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 "تریگر شمیت" از این حقیقت ناشی می‌شود که خروجی تا زمانی که ورودی به اندازه کافی تغییر کند تا "تریگر" یک تغییر را فعال کند، مقدار خود را حفظ می‌کند.

تریگر شمیت چگونه کار می‌کند؟

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

خروجی تریگر شمیت تا زمانی که سیگنال ورودی VUT را عبور نکند، پایین می‌ماند. یک بار که سیگنال ورودی این حد VUT را عبور می‌کند، خروجی تریگر شمیت تا زمانی که سیگنال ورودی کمتر از سطح VLT باشد، بالا می‌ماند.

با یک مثال کار تریگر شمیت را درک کنیم. در اینجا فرض می‌کنیم که ورودی اولیه صفر است.

اثر سیگنال نویز با تریگر شمیت

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

سیگنال خروجی تریگر شمیت تا نقطه A پایین می‌ماند. در نقطه A، سیگنال ورودی از سطح آستانه بالا (VUT) عبور می‌کند و سیگنال خروجی بالا می‌رود.

سیگنال خروجی تا نقطه B بالا می‌ماند. در نقطه B، سیگنال ورودی زیر آستانه پایین عبور می‌کند و این باعث می‌شود سیگنال خروجی پایین بیاید.

و دوباره در نقطه C، وقتی سیگنال ورودی از آستانه بالا عبور می‌کند، سیگنال خروجی بالا می‌رود.

در این شرایط می‌توان دید 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 بازسازی‌پذیر شناخته می‌شود. مدار تریگر شمیت می‌تواند با استفاده از آپ‌آمپ و ترانزیستور طراحی شود. و به دو دسته تقسیم می‌شود؛

تریگر شمیت بر اساس آپ‌آمپ
تریگر شمیت بر اساس ترانزیستور

تریگر شمیت بر اساس آپ‌آمپ

مدار تریگر شمیت می‌تواند به دو روش با استفاده از آپ‌آمپ طراحی شود. اگر سیگنال ورودی به نقطه معکوس آپ‌آمپ متصل شود، به آن تریگر شمیت معکوس گفته می‌شود. و اگر سیگنال ورودی به نقطه غیرمعکوس آپ‌آمپ متصل شود، به آن تریگر شمیت غیرمعکوس گفته می‌شود.

تریگر شمیت معکوس

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

حالا، بیایید درک کنیم 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 بیشتر از V باشد، خروجی مدار پایین خواهد بود. و اگر ولتاژ اعمال شده Vin کمتر از V باشد، خروجی مدار بالا خواهد بود.

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

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

حالا، معادله V را محاسبه کنید.

با استفاده از قانون جریان کیرشهف (KCL)،

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

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

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

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

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

حالا، فرض کنید خروجی تریگر شمیت بالا باشد. در این شرایط،

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

بنابراین، از معادله بالا؛

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

وقتی سیگنال ورودی بزرگ‌تر از V₁ باشد، خروجی تریگر شمیت پایین می‌شود. بنابراین، V₁ ولتاژ آستانه بالا (V_UT) است.

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

خروجی تا زمانی که سیگنال ورودی کوچک‌تر از V باشد، پایین می‌ماند. وقتی خروجی تریگر شمیت پایین است، در این حالت،

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

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

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

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

تریگر شمیت غیر وارونگر

در تریگر شمیت غیر وارونگر، سیگنال ورودی در ترمینال غیروارونگر Op-Amp اعمال می‌شود. و بازخورد مثبت از خروجی به ورودی اعمال می‌شود. ترمینال وارونگر Op-Amp به ترمینال زمین متصل است. نمودار مدار تریگر شمیت غیر وارونگر به صورت زیر نمایش داده شده است.

در این مدار، خروجی تریگر شمیت هنگامی که ولتاژ V بزرگتر از صفر باشد، بالا می‌باشد. و خروجی هنگامی که ولتاژ V کمتر از صفر باشد، پایین می‌باشد.

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

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

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

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

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

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

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

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

در این شرایط،

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

از معادله بالا،

هنگامی که ولتاژ V۱ بزرگتر از صفر است، خروجی بالا می‌رود. در این شرایط،

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

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

هنگامی که شرط فوق برقرار باشد، 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 بالا باشد. 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 شد. 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 بر پایه ترانزیستور

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

Vin = ولتاژ ورودی
Vref = ولتاژ مرجع = ۵ ولت

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

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

ولتیژ Vb به پایه ترانزیستور T2 داده می‌شود و این ولتیژ ۱.۹۸ ولت است. بنابراین، ترانزیستور T2 در حال رسانایی است. و به علت این، خروجی تریگر شمیت کم است. سقوط ولت در امیتر حدود ۰.۷ ولت است. بنابراین، ولتیژ پایه ترانزیستور ۱.۲۸ ولت است.

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

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

حالا، ما ولتیژ ورودی را بیش از ۱.۹۸ ولت افزایش می‌دهیم و ترانزیستور T1 شروع به رسانایی می‌کند. این باعث سقوط ولت پایه ترانزیستور T2 می‌شود و آن را قطع می‌کند. و به علت این، خروجی تریگر شمیت بالا می‌رود.

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

بنابراین، در این شرایط، ما دو آستانه داریم: آستانه پایین در ۱.۲۸ ولت و آستانه بالا در ۱.۹۸ ولت.

وسیله نوسان‌ساز تریگر شمیت

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

خروجی مدار یک موج مربعی پیوسته است. و فرکانس این موج به ارزش R، C و نقطه آستانه تریگر شمیت بستگی دارد.

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

که در آن k یک ثابت است و مقدار آن بین ۰٫۲ تا ۱ متغیر است.

تریگر شمیت CMOS

مدار معکوس‌کننده سیگنال ساده خروجی مخالف سیگنال ورودی را ارائه می‌دهد. برای مثال، اگر سیگنال ورودی بالا باشد، سیگنال خروجی برای یک مدار معکوس‌کننده ساده پایین است. اما اگر سیگنال ورودی نویز (پیک) داشته باشد، سیگنال خروجی به پیک واکنش نشان می‌دهد. که ما این را نمی‌خواهیم. بنابراین، از تریگر شمیت CMOS استفاده می‌شود.

در موج‌نما اول، سیگنال ورودی بدون نویز است. بنابراین، خروجی کامل است. اما در شکل دوم، سیگنال ورودی نویزی دارد. خروجی نیز به این نویز واکنش نشان می‌دهد. برای جلوگیری از این حالت، از تریگر شمیت CMOS استفاده می‌شود.

در شکل زیر مدار تریگر شمیت CMOS نشان داده شده است. تریگر شمیت CMOS از ۶ ترانزیستور شامل PMOS و NMOS تشکیل شده است.

ابتدا باید بدانیم، چه چیزی PMOS و NMOS ترانزیستور است؟ نمادهای PMOS و NMOS ترانزیستور در شکل زیر نشان داده شده است.

ترانزیستور NMOS وقتی VG بیشتر از VS یا VD باشد رسانا می‌شود. و ترانزیستور PMOS وقتی VG کمتر از VS یا VD باشد رسانا می‌شود. در تریگر شمیت CMOS، یک PMOS و یک NMOS ترانزیستور به یک مدار معکوس‌کننده ساده اضافه می‌شوند.

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

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