Déclencheur de Schmitt : Qu'est-ce que c'est et comment fonctionne-t-il

Champ: Électricité de base

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Qu'est-ce qu'un déclencheur de Schmitt?

Un déclencheur de Schmitt est un circuit comparateur avec hystérésis, mis en œuvre en appliquant une rétroaction positive à l'entrée non inversante d'un comparateur ou d'un amplificateur différentiel amplificateur. Un déclencheur de Schmitt utilise deux seuils de tension d'entrée différents pour éviter le bruit dans le signal d'entrée. L'action résultant de ces deux seuils est connue sous le nom d'hystérésis.

Le déclencheur de Schmitt a été inventé par le scientifique américain Otto H Schmitt en 1934.

Le comparateur normal ne contient qu'un seul signal de seuil. Il compare ce signal de seuil avec un signal d'entrée. Cependant, si le signal d'entrée comporte du bruit, cela peut affecter le signal de sortie. a schmitt trigger.png

Dans la figure ci-dessus, en raison du bruit aux points A et B, le signal d'entrée (V1) dépasse le niveau du signal de référence (V2). Pendant cette période, V1 est inférieur à V2 et la sortie est basse.

Ainsi, la sortie du comparateur est affectée par le bruit dans le signal d'entrée. Et le comparateur n'est pas protégé contre le bruit.

Le terme "déclencheur" dans "déclencheur de Schmitt" vient du fait que la sortie conserve sa valeur jusqu'à ce que l'entrée varie suffisamment pour "déclencher" un changement.

Comment fonctionne un déclencheur de Schmitt?

Le déclencheur de Schmitt donne des résultats corrects même si le signal d'entrée est bruité. Il utilise deux tensions de seuil ; l'une est la tension de seuil supérieure (VUT) et la seconde est la tension de seuil inférieure (VLT).

La sortie du déclencheur de Schmitt reste basse jusqu'à ce que le signal d'entrée dépasse VUT. Une fois que le signal d'entrée dépasse cette limite VUT, le signal de sortie du déclencheur de Schmitt reste haut jusqu'à ce que le signal d'entrée soit inférieur au niveau de VLT.

Comprendre le fonctionnement du déclencheur de Schmitt à travers un exemple. Supposons ici que l'entrée initiale est nulle.

Effet de bruit avec le déclencheur de Schmitt

Ici, nous avons supposé que le signal d'entrée initial est nul et qu'il augmente progressivement comme le montre la figure ci-dessus.

Le signal de sortie du déclencheur de Schmitt reste bas jusqu'au point A. Au point A, le signal d'entrée dépasse le niveau du seuil supérieur (VUT) et génère un signal de sortie haut.

Le signal de sortie reste haut jusqu'au point B. Au point B, le signal d'entrée passe en dessous du seuil inférieur. Cela fait passer le signal de sortie à bas.

Et à nouveau, au point C, lorsque le signal d'entrée dépasse le seuil supérieur, la sortie est haute.

Dans cette condition, on peut voir que le signal d'entrée est bruité. Mais le bruit n'affecte pas le signal de sortie.

Circuit de déclencheur de Schmitt

Le circuit de déclencheur de Schmitt utilise une rétroaction positive. Par conséquent, ce circuit est également connu sous le nom de circuit comparateur régénératif. Le circuit de déclencheur de Schmitt peut être conçu à l'aide d'un amplificateur opérationnel et d'un transistor. Il est classé comme suit :

Déclencheur de Schmitt basé sur un amplificateur opérationnel
Déclencheur de Schmitt basé sur un transistor

Déclencheur de Schmitt basé sur un amplificateur opérationnel

Le circuit de déclencheur de Schmitt peut être conçu en utilisant un amplificateur opérationnel de deux manières. Si le signal d'entrée est connecté au point inverseur de l'amplificateur opérationnel, il est appelé déclencheur de Schmitt inverseur. Et si le signal d'entrée est connecté au point non-inverseur de l'amplificateur opérationnel, il est appelé déclencheur de Schmitt non-inverseur.

Déclencheur de Schmitt inverseur

Dans ce type de déclencheur de Schmitt, l'entrée est donnée au terminal inverse de l'amplificateur opérationnel. Et la rétroaction positive de la sortie à l'entrée.

Maintenant, comprenons comment fonctionne ce circuit. Au point A, la tension est V et la tension appliquée (tension d'entrée) est Vin. Si la tension appliquée Vin est supérieure à V, la sortie du circuit sera basse. Et si la tension appliquée Vin est inférieure à V, la sortie du circuit sera haute.

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

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

Maintenant, calculons l'équation de V.

En appliquant la loi des nœuds de Kirchhoff (KCL),

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

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

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

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

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

Maintenant, supposons que la sortie du déclencheur de Schmitt soit élevée. Dans cette condition,

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

Ainsi, d'après l'équation ci-dessus ;

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

Lorsque le signal d'entrée est supérieur à V1, la sortie du déclencheur de Schmitt devient basse. Par conséquent, V1 est une tension de seuil supérieure (VUT).

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

La sortie restera basse jusqu'à ce que le signal d'entrée soit inférieur à V. Lorsque la sortie du déclencheur de Schmitt est basse, dans cette condition,

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

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

Maintenant, la sortie reste élevée jusqu'à ce que le signal d'entrée soit inférieur à V2. Par conséquent, V2 est connue sous le nom de tension de seuil inférieure (VLT).

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

Détecteur de seuil non inverseur

Dans un détecteur de seuil non inverseur, le signal d'entrée est appliqué au terminal non inverseur de l'amplificateur opérationnel. Un retour positif est appliqué de la sortie vers l'entrée. Le terminal inverseur de l'amplificateur opérationnel est connecté au terminal de masse. Le schéma du détecteur de seuil non inverseur est illustré dans la figure ci-dessous.

Dans ce circuit, la sortie du détecteur de seuil sera haute lorsque la tension V est supérieure à zéro. Et la sortie sera basse lorsque la tension V est inférieure à zéro.

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

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

Maintenant, trouvons l'équation de la tension V. Pour cela, nous appliquons KCL à ce nœud.

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

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

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

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

Maintenant, supposons que la sortie de l'Op-Amp est faible. Par conséquent, la tension de sortie du déclencheur de Schmitt est VL. Et la tension V est égale à V1.

Dans cette condition,

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

À partir de l'équation ci-dessus,

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

Lorsque la tension V1 est supérieure à zéro, la sortie sera haute. Dans cette condition,

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

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

Lorsque la condition ci-dessus est satisfaite, la sortie sera haute. Par conséquent, cette équation donne la valeur de la tension de seuil supérieur (VUT).

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

Supposons maintenant que la sortie du déclencheur de Schmitt soit haute. Et la tension V est égale à V2.

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

À partir de l'équation de tension V.

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

La sortie du déclencheur de Schmitt deviendra basse lorsque la tension V2 est inférieure à zéro. Dans cette condition,

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

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

L'équation ci-dessus donne la valeur de la tension de seuil inférieur (VLT).

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

Déclencheur de Schmitt à base de transistors

Le circuit du déclencheur de Schmitt peut être conçu avec l'aide de deux transistors. Le schéma du déclencheur de Schmitt à base de transistors est donné dans le circuit ci-dessous.

Vin = tension d'entrée
Vref = Tension de référence = 5V

Supposons que, au début, une tension d'entrée Vin soit nulle. La tension d'entrée est donnée à la base du transistor T1. Dans cette condition, le transistor T1 fonctionne dans la région de coupure et reste non conducteur.

Va et Vb sont les tensions aux nœuds. La tension de référence est de 5V. Nous pouvons donc calculer la valeur de Va et Vb en utilisant la règle du diviseur de tension.

La tension Vb est appliquée à la base du transistor T2. Elle est de 1,98V. Par conséquent, le transistor T2 est conducteur. Et en raison de cela, la sortie du déclencheur de Schmitt est basse. La chute de tension à l'émetteur est d'environ 0,7V. Ainsi, la tension à la base du transistor est de 1,28V.

L'émetteur du transistor T2 est connecté à l'émetteur du transistor T1. Par conséquent, les deux transistors fonctionnent au même niveau, soit 1,28V.

Cela signifie que le transistor T1 va fonctionner lorsque la tension d'entrée est de 0,7V au-dessus de 1,28V ou plus de 1,98V (1,28V + 0,7V).

Maintenant, nous augmentons la tension d'entrée au-delà de 1,98V, et le transistor T1 commence à conduire. Cela provoque une chute de tension à la base du transistor T2 et le coupe. Et en raison de cela, la sortie du déclencheur de Schmitt est haute.

La tension d'entrée commence à diminuer. Le transistor T1 sera coupé lorsque la tension d'entrée sera de 0,7V en dessous de 1,98V, soit 1,28V. Dans cette condition, le transistor T2 reçoit une tension suffisante à partir de la tension de référence, et il s'allume. Cela rend la sortie du déclencheur de Schmitt basse.

Par conséquent, dans cette condition, nous avons deux seuils, un seuil inférieur à 1,28V et un seuil supérieur à 1,98V.

Oscillateur à déclencheur de Schmitt

Le déclencheur de Schmitt peut être utilisé comme oscil l ator en connectant un circuit intégré RC unique. Le schéma du circuit de l'oscillateur à déclencheur de Schmitt est illustré dans la figure ci-dessous.

La sortie du circuit est une onde carrée continue. La fréquence de l'onde dépend de la valeur de R, C et du point de seuil du déclencheur de Schmitt.

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

Où k est une constante et varie entre 0,2 et 1.

Déclencheur de Schmitt CMOS

Le circuit d'inversion de signal simple donne un signal de sortie opposé au signal d'entrée. Par exemple, si le signal d'entrée est élevé, le signal de sortie est bas pour un circuit inverseur simple. Mais si le signal d'entrée a des pics (bruit), le signal de sortie réagira aux pics. Ce que nous ne voulons pas. C'est pourquoi le déclencheur de Schmitt CMOS est utilisé.

Forme d'onde du circuit d'inversion de signal simple

Dans la première forme d'onde, le signal d'entrée n'a pas de bruit. Donc, la sortie est parfaite. Mais dans la deuxième figure, le signal d'entrée a un certain bruit. La sortie réagit également à ce bruit. Pour éviter cette condition, le déclencheur de Schmitt CMOS est utilisé.

Le schéma ci-dessous montre la construction du déclencheur de Schmitt CMOS. Le déclencheur de Schmitt CMOS est composé de 6 transistors, y compris des transistors PMOS et NMOS.

Tout d'abord, nous devons savoir ce qu'est un transistor PMOS et NMOS. Les symboles des transistors PMOS et NMOS sont dans la figure ci-dessous.

Le transistor NMOS conduit lorsque VG est supérieur à VS ou VD. Et le transistor PMOS conduit lorsque VG est inférieur à VS ou VD. Dans le déclencheur de Schmitt CMOS, un transistor PMOS et un transistor NMOS sont ajoutés à un circuit inverseur simple.

Dans le premier cas, la tension d'entrée est élevée. Dans cette condition, le transistor PN est allumé et le transistor NN est éteint. Cela crée un chemin vers la masse pour le nœud A. Par conséquent, la sortie du déclencheur de Schmitt CMOS sera zéro.

Dans le deuxième cas, la tension d'entrée est élevée. Dans cette condition, le transistor NN est allumé et le transistor PN est éteint. Cela créera un chemin vers la tension VDD (haute) pour le nœud B. Par conséquent, la sortie du déclencheur de Schmitt CMOS sera haute.

Applications du déclencheur de Schmitt

Les applications du déclencheur de Schmitt sont les suivantes.

Le déclencheur de Schmitt est utilisé pour transformer une onde sinusoïdale ou triangulaire en ondes carrées.
L'utilisation la plus importante des déclencheurs de Schmitt est d'éliminer le bruit dans les circuits numériques.
Il est également utilisé comme générateur de fonctions.
Il est utilisé pour mettre en œuvre un oscillateur.
Les déclencheurs de Schmitt avec le circuit RC sont utilisés pour l'élimination des rebonds de contact.

Source : Electrical4u.

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