טריגר שמידט: מה זה ואיך הוא פועל?

שדה: אלקטרוניקה בסיסית

China

מהו מזערית שמייט?

מזערית שמייט היא מעגל השוואת עם היסטראזיס הממומש על ידי שימוש במשוב חיובי לכניסה לא הפוכה של משווה או מגבר דיפרנציאלי. המזערית שמייט משתמשת בשני סף כניסה שונים של מתח כדי למנוע רעש בסיגנל הכניסה. התנהגות זו של שני הסף נקראת היסטראזיס.

מזערית שמייט הומצאה על ידי המדען האמריקאי אוטו ה. שמייט בשנת 1934.

משווה רגיל מכיל רק סיגנל סף אחד. והוא משווה את הסיגנל הסף עם סיגנל הכניסה. אבל, אם לסיגנל הכניסה יש רעש, הוא עשוי להשפיע על הסיגנל היציאה. a schmitt trigger.png

באיור למעלה, בשל הרעש במיקומים A וב, הסיגנל הכניסה (V1) חוצה את רמת הסיגנל הייחוס (V2). במהלך תקופה זו, V1 קטן מ-V2 והיציאה נמוכה.

לכן, היציאה מהמשווה מושפעת מרעש בסיגנל הכניסה. והמשווה אינו מוגן מהרעש.

המילה "טריגר" בשם "מזערית שמייט" נובעת מהעובדה שהיציאה מחזיקה בערכה עד שהכניסה משתנה מספיק כדי "להפעיל" שינוי.

איך עובדת מזערית שמייט?

מזערית שמייט נותנת תוצאות נכונות גם אם לסיגנל הכניסה יש רעש. היא משתמשת בשני מתחים סף; האחד הוא המתח הסף העליון (VUT) והשני הוא המתח הסף התחתון (VLT).

היציאה של מזערית שמייט נשארת נמוכה עד שהסיגנל הכניסה חוצה את VUT. כיון שהסיגנל הכניסה חוצה את הגבול הזה VUT, הסיגנל היציאה של מזערית שמייט נשאר גבוה עד שהסיגנל הכניסה מתחת לרמת VLT.

נבין את פעולת מזערית שמייט באמצעות דוגמה. כאן אנו מניחים שהכניסה הראשונית היא אפס.

השפעת רעש עם טריגר שמידט

בהנחה שהאות הקלט הראשוני הוא אפס והוא גדל בהדרגה כפי שמוצג בתרשים למעלה.

אות הפלט של טריגר שמידט נשאר נמוך עד לנקודה A. בנקודה A, אות הקלט חוצה מעל הרמה של הסף העליון (VUT) ומשנה את אות הפלט להיות גבוה.

אות הפלט נשאר גבוה עד לנקודה B. בנקודה B, אות הקלט חוצה מתחת לסף הנמוך. וזה גורם לאות הפלט להיות נמוך.

ובשוב, בנקודה C, כאשר אות הקלט חוצה מעל הסף העליון, האות הוא גבוה.

במצב זה, ניתן לראות כי אות הקלט מכיל רעש. אבל הרעש אינו משפיע על אות הפלט.

מעגל טריגר שמידט

מעגל טריגר שמידט משתמש בתאeedback חיובי. לכן, המעגל הזה ידוע גם כמעגל השוואת מחזוריות. ניתן לתכנן את מעגל טריגר שמידט בעזרת אופ-אמפ ו-טרנזיסטור. והוא מוגדר כך:

טריגר שמידט מבוסס אופ-אמפ
טריגר שמידט מבוסס טרנזיסטור

טריגר שמידט מבוסס אופ-אמפ

ניתן לתכנן את מעגל טריגר שמידט באמצעות אופ-אמפ בשתי דרכים. אם אות הקלט מחובר לנקודת ההיפוך של האופ-אמפ, זהו טריגר שמידט היפוך. ואם אות הקלט מחובר לנקודת אי-היפוך של האופ-אמפ, זהו טריגר שמידט לא היפוך.

טריגר שמידט היפוך

בצורת המגנטוסטט של שמידט זו, הקלט ניתן בטרמינל ההיפוך של אופ-אמפ. והמשוב החיובי מהפלט לקלט.

כעת, בואו נבין איך מעגל זה פועל. בנקודה A, המתח הוא V והמתח הנע Ashekan (מתח הכניסה) הוא Vin. אם המתח הנע Ashekan Vin גדול מ-V, הפלט של המעגל יהיה נמוך. ואם המתח הנע Ashekan Vin קטן מ-V, הפלט של המעגל יהיה גבוה.

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

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

כעת, חשב את המשוואה של V.

על ידי יישום חוק המתח של קירכהוף (KCL),

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

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

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

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

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

עכשיו, נניח שהפלט של הטריגר של שמידט גבוה. בתנאי זה,

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

לכן, מהמשוואה לעיל;

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

כאשר האות הקלט גדול מ-V₁, הפלט של טריגר שמידט יהפוך לנמוך. לכן, V₁ היא מתח הסף העליון (V_UT).

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

הפלט יישאר נמוך עד שהאות הקלט יהיה קטן מ-V. כאשר הפלט של טריגר שמידט הוא נמוך, בתנאי זה,

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

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

כעת, הפלט נשאר גבוה עד שהאות הקלט קטן מ-V2. לכן, V2 מכונה מתח סף תחתון (VLT).

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

מגניט שמיד לא הפוך

במגניט שמיד לא הפוך, האות הקלט מופעל בטרמינל לא הפוך של אופ-אמפ. ומפעיל משוב חיובי מהפלט לקלט. טרמינל ההיפוך של האופ-אמפ מחובר לתור הזהב. דיאגרמת החשמל של מגניט שמיד לא הפוך היא כמו המראה בתמונה להלן.

במעגל זה, הפלט של מגניט שמיד יהיה גבוה כאשר מתח V גדול מאפס. והפלט יהיה נמוך כאשר מתח V קטן מאפס.

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

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

כעת, נמצא את המשוואה של המתח V. לשם כך, אנו מפעילים את חוק קירכהוף בנקודת החיבור.

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

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

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

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

כעת, נניח שהפלט של אופ-אמפ הוא נמוך. לכן, התחזית של הפלט של טריגר שמיד היא VL. והמתח V שווה ל-V1.

במצב זה,

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

מהמשוואה הנ"ל,

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

כאשר המתח V1 גדול מאפס, הפלט יהיה גבוה. בתנאי זה,

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

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

כאשר התנאי הנ"ל מתקיים, הפלט יהיה גבוה. לכן, המשוואה הזו נותנת את ערך המתח העליון של הסף (VUT).

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

כעת נניח שהפלט של טריגר שמיד הוא גבוה. והמתח V שווה ל-V2.

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

ממשוואת המתח V.

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

הפלט של הטריגר של שמידט יהפוך לנמוך כאשר המתח V2 הוא פחות מאפס. בתנאי זה,

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

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

המשוואה לעיל מציגה את ערך מתח הסף התחתון (VLT).

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

מגניט של שמידט המבוסס על טרנזיסטורים

ניתן לתכנן מעגל מגניט שמידט באמצעות שני טרנזיסטורים. תרשים המעגל של מגניט שמידט המבוסס על טרנזיסטורים מוצג בתרשים למטה.

Vin = מתח כניסה
Vref = מתח התייחסות = 5V

נניח כי בהתחלה, מתח הכניסה Vin הוא אפס. מתח הכניסה ניתן לבסיס הטרנזיסטור T1. לכן, במצב זה, הטרנזיסטור T1 פועל באזור הקטוף ולא מוליך.

Va ו-Vb הם מתחים בצמתים. מתח ההתייחסות נתון כ-5V. לכן, ניתן לחשב את הערכים של Va ו-Vb לפי כלל המחלק מתח.

המתח Vb ניתן לבסיס של הטרנזיסטור T2. הוא עומד על 1.98V. לכן, הטרנזיסטור T2 מוביל. כתוצאה מכך, הפלט של הטריגר של שמידט נמוך. ההפרש במתח בין הבסיס לאמיטר הוא בערך 0.7V. לכן, המתח בבסיס של הטרנזיסטור הוא 1.28V.

האמיטר של הטרנזיסטור T2 מחובר לאמיטר של הטרנזיסטור T1. לפיכך, שני הטרנזיסטורים פועלים באותה רמה של 1.28V.

זה אומר שהטרנזיסטור T1 יעבוד כאשר המתח הנכנס הוא 0.7V מעל 1.28V או יותר מ-1.98V (1.28V + 0.7V).

כעת, אנו מגבירים את המתח הנכנס מעל 1.98V, והטרנזיסטור T1 מתחיל להוביל. זה גורם להפחתת המתח בבסיס של הטרנזיסטור T2 והוא כותך את הטרנזיסטור T2. כתוצאה מכך, הפלט של הטריגר של שמידט גבוה.

המתח הנכנס מתחיל לרדת. הטרנזיסטור T1 יכריע כאשר המתח הנכנס הוא 0.7V פחות מ-1.98V וזו היא 1.28V. בתנאי זה, הטרנזיסטור T2 מקבל מתח מספיק מהמתח היחסי, והוא יתנגן. זה גורם לפלט של הטריגר של שמידט להיות נמוך.

לכן, בתנאי זה יש לנו שתי סף, סף תחתון ב-1.28V וסף עליון ב-1.98V.

מדחף שמידט אוסילטור

המדחף של שמידט יכול לשמש כ-אוסילטור על ידי חיבור מעגל משולב RC יחיד. סכמת המעגל של מדחף שמידט מוצגת בתמונה שלהלן.

הפלט של המעגל הוא גל מרובע מתמשך. והתדר של הגל תלוי בערך של R, C ונקודת הסף של המחזור סכימט.

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

כאשר k הוא קבוע וערכו בין 0.2 ל-1.

מחזור סכימט CMOS

מעגל הממצעי פשוט של אותות נותן אות פלט הפוך מהאות הקלט. למשל, אם אות הקלט גבוה, אות הפלט נמוך עבור מעגל ממצעי פשוט. אבל אם אות הקלט מכיל פקעות (רעש), אות הפלט יגיב לשינוי בפקעה. זה לא מה שאנחנו רוצים. לכן משתמשים במחזור סכימט CMOS.

בצורת הגל הראשונה, אות הקלט אינו מכיל רעש. לפיכך, הפלט מושלם. אבל בתמונה השנייה, אות הקלט מכיל קצת רעש. גם הפלט מגיב לרעש הזה. כדי להימנע מצב זה, משתמשים במחזור סכימט CMOS.

תרשים המעגל שלהלן מציג את הבנייה של מחזור סכימט CMOS. מחזור סכימט CMOS מורכב מ-6 טרנזיסטורים כולל טרנזיסטורי PMOS ו-NMOS.

ראשית, עלינו לדעת, מה הם טרנזיסטורי PMOS ו-NMOS? הסמל של טרנזיסטורי PMOS ו-NMOS נמצא בתמונה שלהלן.

טרנזיסטור NMOS מוליך כאשר VG גדול מ-VS או VD. וטרנזיסטור PMOS מוליך כאשר VG קטן מ-VS או VD. במחזור סכימט CMOS, טרנזיסטור PMOS אחד וטרנזיסטור NMOS אחד מוסיפים למעגל ממצעי פשוט.

במקרה הראשון, המתח הזמין גבוה. במצב זה, הטרנזיסטור PN מופעל והטרנזיסטור NN כבוי. וזו יוצרת מסלול לאדמה עבור נקודה A. לכן, התוצאה של טריגר שמידט CMOS תהיה אפס.

במקרה השני, המתח הזמין גבוה. במצב זה, הטרנזיסטור NN מופעל והטרנזיסטור PN כבוי. זה יצור מסלול למתח VDD (גבוה) עבור נקודה B. לכן, התוצאה של טריגר שמידט CMOS תהיה גבוהה.