Schmitt Trigger: Što je to i kako funkcionira?

Polje: Osnovna elektrotehnika

China

Što je Schmitt Trigger?

Schmitt Trigger je usporedni krug s histerezijom implementiranom primjenom pozitivne povratne veze na neinverzni ulaz usporednika ili diferencijalnog pojačavača. Schmitt Trigger koristi dvije različite pragove napona kako bi se izbjegao šum u ulaznom signalu. Djelovanje ove dvojne pragove poznato je kao histereza.

Schmitt Trigger je izumljen od strane američkog znanstvenika Otta H. Schmitta 1934. godine.

Normalni usporednik sadrži samo jedan prag signala. I uspoređuje taj prag s ulaznim signalom. Međutim, ako ulazni signal ima šum, to može utjecati na izlazni signal. a schmitt trigger.png

Na gornjoj slici, zbog šuma na lokacijama A i B, ulazni signal (V1) prelazi razinu referentnog signala (V2). Tijekom ovog perioda, V1 je manji od V2, a izlaz je nizak.

Stoga, izlaz usporednika utječe šum u ulaznom signalu. Usporednik nije zaštićen od šuma.

Riječ „trigger“ u nazivu „Schmitt Trigger“ dolazi od činjenice da izlaz zadržava svoju vrijednost dok ulaz dovoljno ne varira kako bi „aktivirao“ promjenu.

Kako radi Schmitt Trigger?

Schmitt Trigger daje ispravne rezultate čak i kada je ulazni signal bujan. Koristi dva praga napona; jedan je gornji prag napon (VUT), a drugi donji prag napon (VLT).

Izlaz Schmitt Triggera ostaje nizak dok ulazni signal ne prelazi VUT. Kada ulazni signal prelazi tu granicu VUT, izlazni signal Schmitt Triggera ostaje visok dok ulazni signal nije ispod razine VLT.

Shvatimo rad Schmitt Triggera s primjerom. Pretpostavljamo da je početni ulaz nula.

Efekt šuma s Schmittovim prekidačem

Pretpostavili smo da je početni ulazni signal nula i povećava se postupno kako je prikazano na gornjoj slici.

Izlazni signal Schmittovog prekidača ostaje nizak do točke A. U točki A, ulazni signal prelazi iznad razine gornje pragove (VUT) i stvara visoki izlazni signal.

Izlazni signal ostaje visok do točke B. U točki B, ulazni signal prelazi ispod donjeg praga. To stvara nizak izlazni signal.

Ponovno, u točki C, kada ulazni signal prelazi iznad gornjeg praga, izlaz je visok.

U ovom stanju možemo vidjeti da je ulazni signal bujan. Međutim, buka ne utječe na izlazni signal.

Schmittov prekidač

Schmittov prekidač koristi pozitivnu povratnu vezu. Stoga se ovaj krug također naziva regenerativnim komparatorskim krugom. Schmittov prekidač može biti dizajniran s pomoću Op-Ampa i tranzistora. I on se klasificira kao;

Op-amp bazirani Schmittov prekidač
Tranzistor bazirani Schmittov prekidač

Op-amp bazirani Schmittov prekidač

Schmittov prekidač može biti dizajniran koristeći Op-amp na dva načina. Ako je ulazni signal spojen na inverzni priključak Op-ampa, zove se Inverzni Schmittov prekidač. Ako je ulazni signal spojen na neinverzni priključak Op-ampa, zove se Neinverzni Schmittov prekidač.

Inverzni Schmittov prekidač

U ovom tipu Schmittovog okidača, ulaz se daje na inverznom zračku operacijskog pojačala. A pozitivna povratna veza ide od izlaza prema ulazu.

Sada, shvativajmo kako ova šema funkcionira. U točki A, napetost je V, a primijenjena napetost (ulazna napetost) je Vin. Ako je primijenjena napetost Vin veća od V, izlaz šeme bit će nizak. A ako je primijenjena napetost Vin manja od V, izlaz šeme bit će visok.

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

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

Sada, izračunajte jednadžbu za V.

Primjenjujući Kirchhoffov zakon struje (KCL),

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

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

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

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

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

Pretpostavimo sada da je izlaz Schmittovog triggera visok. U ovom stanju

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

Dakle, iz gornje jednadžbe;

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

Kada je ulazni signal veći od V1, izlaz Schmittovog okidača postaje niski. Stoga, V1 predstavlja gornju pragovnu naponsku razinu (VUT).

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

Izlaz će ostati niski dok god je ulazni signal manji od V. kada je izlaz Schmittovog okidača niski, u tom stanju,

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

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

Sada izlaz ostaje visok dok je ulazni signal manji od V2. Stoga se V2 naziva donja pragova napon (VLT).

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

Nepreokrenuti Schmitt uvodnik

U nepreokrenutom Schmitt uvodniku, ulazni signal primjenjuje se na nepreokrenuti terminal op-Ampa. Pozitivna povratna veza primjenjuje se s izlaza na ulaz. Preokrenuti terminal op-Ampa povezan je s zemljom. Shema nepreokrenutog Schmitt uvodnika prikazana je u sljedećoj slici.

U ovom krugu, izlaz Schmitt uvodnika bit će visok kada je napona V veći od nule. A izlaz će biti nizak kada je napona V manji od nule.

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

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

Sada pronađimo jednadžbu napona V. Za to, primjenjujemo KCL na tom čvoru.

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

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

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

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

Sada, pretpostavimo da je izlazni napon Op-Amp-a nizak. Stoga, izlazni napon Schmittovog triggera je VL. I napon V je jednak V1.

U ovom stanju,

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

Iz gornje jednadžbe,

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

Kada je naponski pad V1 veći od nule, izlaz će biti visok. U tom slučaju,

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

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

Kada je gornji uvjet ispunjen, izlaz će biti visok. Stoga, ova jednadžba daje vrijednost gornje pragove napona (VUT).

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

Pretpostavimo sada da je izlaz Schmittovog prekidača visok. I napon V je jednak V2.

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

Iz jednadžbe napona V.

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

Izlaz Schmittovog okidača postaje nizak kada je napon V2 manji od nule. U tom slučaju,

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

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

Gornja jednadžba daje vrijednost donje pragove napona (VLT).

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

Schmitt trigger zasnovan na tranzistorima

Schmitt trigger može se dizajnirati s pomoću dva tranzistora. Shema Schmitt triggera zasnovanog na tranzistorima dana je u sljedećoj shemi.

Vin = ulazni napon
Vref = referentni napon = 5V

Pretpostavimo da, na početku, ulazni napon Vin iznosi nula. Ulazni napon podučen je bazi tranzistora T1. Stoga, u ovom stanju, tranzistor T1 radi u regiji isključenja i ostaje neprovodljiv.

Va i Vb su naponi na čvorovima. Referentni napon je 5V. Stoga, možemo izračunati vrijednosti Va i Vb koristeći pravilo dijeljenja napona.

Napon Vb se daje bazi tranzistora T2. I iznosi 1,98V. Stoga, tranzistor T2 vodi struju. Zbog toga je izlaz Schmittovog okidača niski. Pad napona na emiteru iznosi otprilike 0,7V. Dakle, napon na bazi tranzistora iznosi 1,28V.

Emiter tranzistora T2 spojen je s emiterom tranzistora T1. Stoga, oba tranzistora rade na istoj razini od 1,28V.

To znači da će tranzistor T1 raditi kada ulazni napon bude 0,7V iznad 1,28V ili veći od 1,98V (1,28V + 0,7V).

Sada, povećavamo ulazni napon više od 1,98V, i tranzistor T1 počinje voditi struju. To uzrokuje pad napona na bazi tranzistora T2 i isključuje tranzistor T2. Zbog toga, izlaz Schmittovog okidača postaje visoki.

Ulazni napon počinje opadati. Tranzistor T1 isključuje kada ulazni napon bude 0,7V manji od 1,98V, a to je 1,28V. U tom stanju, tranzistor T2 dobiva dovoljan napon od referentnog napona, i upaliće. To čini izlaz Schmittovog okidača niskim.

Stoga, u ovom stanju, imamo dvije praga, niži prag na 1,28V i viši prag na 1,98V.

Oscilator Schmittovog okidača

Schmittov okidač može se koristiti kao oscil l ator spajanjem jedne RC integrirane šeme. Shema oscilatora Schmittovog okidača prikazana je na sljedećoj slici.

Izlaz kruga je kontinuirani kvadratni val. Frekvencija taložnog oblika ovisi o vrijednosti R, C i točki praga Schmitt trg.

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

Gdje je k konstanta i njen opseg između 0.2 i 1.

CMOS Schmitt trg

Jednostavna shema invertera daje izlazni signal suprotan ulaznom signalu. Na primjer, ako je ulazni signal visok, izlazni signal je nizak za jednostavan inverter. No, ako ulazni signal ima šipove (buštinu), izlazni signal će reagirati na šipove. To ne želimo. Stoga se koristi CMOS Schmitt trg.

U prvom taloznom obliku, ulazni signal nema buštinu. Stoga je izlaz savršen. No, u drugom dijagramu, ulazni signal ima neku buštinu. Izlaz također reagira na tu buštinu. Da bi se izbjegla ova situacija, koristi se CMOS Schmitt trg.

Sljedeći dijagram pokazuje konstrukciju CMOS Schmitt trga. CMOS Schmitt trg sastoji se od 6 tranzistora, uključujući PMOS i NMOS tranzitore.

Prvo trebamo znati što su PMOS i NMOS tranzistori. Simboli za PMOS i NMOS tranzitore prikazani su u sljedećem dijagramu.

NMOS tranzistor provodi kada je VG veće od VS ili VD. PMOS tranzistor provodi kada je VG manje od VS ili VD. U CMOS Schmitt trgu, jedan PMOS i jedan NMOS tranzistori dodani su u jednostavnu shemu invertera.

U prvom slučaju, ulazna napetost je visoka. U ovim uvjetima, PN tranzistor je uključen, a NN tranzistor isključen. Stvara se put do zemlje za čvor A. Stoga će izlaz CMOS Schmittovog prekidača biti nula.

U drugom slučaju, ulazna napetost je visoka. U ovim uvjetima, NN tranzistor je uključen, a PN tranzistor isključen. Stvara se put do napetosti VDD (Visoke) za čvor B. Stoga će izlaz CMOS Schmittovog prekidača biti visok.

Aplikacije Schmittovog prekidača

Aplikacije Schmittovog prekidača su sljedeće.

Schmittov prekidač se koristi za pretvaranje sinusne i trokutaste talase u kvadratne talase.
Najvažnija uporaba Schmittovih prekidača je uklanjanje šuma u digitalnim kola.
Također se koristi kao generator funkcija.
Koristi se za implementaciju oscilatora.
Schmittovi prekidači s RC kolo se koriste za debouncing prekidača.

Izvor: Electrical4u.

Izjava: Poštujte original, dobri članci vrijedni su dijeljenja, ako je došlo do povrede autorskih prava, molimo kontaktirajte nas za brisanje.

Daj nagradu i ohrabri autora

Teme:

Teorija strujnih krugova

Schmittov sprijelac

O stručnjacima

Electrical4u

China