Schmitt Trigger: Mi az és hogyan működik?

Mező: Alapvető Elektrotechnika

China

Mi a Schmitt Trigger?

A Schmitt Trigger egy összehasonlító áramkör, amely hysteresis-t alkalmaz, pozitív visszacsatolást használva a komparátor vagy differenciális erősítő nem inverz bemenetén. A Schmitt Trigger két különböző küszöb feszültségi szintet használ, hogy elkerülje a bemeneti jel zaját. Ez a kettős küszöb működése hysteresis néven ismert.

A Schmitt Triggeret az amerikai tudós Otto H. Schmitt találta fel 1934-ben.

A normális komparátor csak egyetlen küszöb jelet tartalmaz. És ezt a küszöb jelet hasonlítja össze a bemeneti jelvel. De, ha a bemeneti jel zajt tartalmaz, ez befolyásolhatja a kimeneti jelet. a schmitt trigger.png

A fenti ábrán, a A és B helyek zaj miatt a bemeneti jel (V1) átlépi a referencia jel (V2) szintjét. Ezen időszakban a V1 kisebb, mint a V2, és a kimenet alacsony.

Tehát a komparátor kimenete befolyásolódik a bemeneti jel zajával, és a komparátor nem védett a zajtól.

A „trigger” a „Schmitt Trigger” nevében arra utal, hogy a kimenet értékét addig megtartja, amíg a bemeneti jel elég nagy mértékben változik, hogy „triggerelje” a változást.

Hogyan működik a Schmitt Trigger?

A Schmitt trigger megfelelő eredményeket ad, még akkor is, ha a bemeneti jel zajos. Két küszöbfeszültséget használ: az egyik a felső küszöbfeszültség (VUT), a másik pedig az alsó küszöbfeszültség (VLT).

A Schmitt trigger kimenete alacsony marad, amíg a bemeneti jel nem lépi túl a VUT-ot. Amint a bemeneti jel átlépi ezt a határt, a Schmitt trigger kimenete magas marad, amíg a bemeneti jel nem esik alá a VLT szintjére.

Értsük meg a Schmitt trigger működését egy példán keresztül. Tegyük fel, hogy a kezdeti bemeneti jel nulla.

Hajlító hatás Schmitt Triggerrel

Tételezzük fel, hogy a kezdeti bemeneti jel nulla, és fokozatosan növekszik, ahogy az ábrán látható.

A Schmitt trigger kimeneti jele alacsony marad, amíg el nem érjük az A pontot. Az A pontban a bemeneti jel meghaladja a felső küszöb (VUT) szintjét, és ezt követően magas kimeneti jellel rendelkezik.

A kimeneti jel magas marad, amíg el nem érjük a B pontot. A B pontban a bemeneti jel meghaladja az alsó küszöb szintjét, és ezt követően alacsony kimeneti jellel rendelkezik.

Szerint az C pontban, amikor a bemeneti jel ismét meghaladja a felső küszöb szintjét, a kimeneti jel magas lesz.

Ebben az esetben látható, hogy a bemeneti jel zajos. Azonban a zaj nem befolyásolja a kimeneti jelet.

Schmitt Trigger kör

A Schmitt trigger kör pozitív visszacsatolást használ. Ezért ez a kör úgy is nevezhető, mint a regeneratív összehasonlító kör. A Schmitt Trigger kör Operációs erősítővel és tranzisztorral készíthető. Kategorizálható a következőképpen:

Operációs erősítő alapú Schmitt trigger
Tranzisztor alapú Schmitt trigger

Operációs erősítő alapú Schmitt trigger

A Schmitt trigger kör operációs erősítővel két módon készíthető. Ha a bemeneti jel az operációs erősítő inverz beviteli pontjához van csatlakoztatva, akkor inverz Schmitt triggerről beszélünk. Ha a bemeneti jel az operációs erősítő nem inverz beviteli pontjához van csatlakoztatva, akkor nem inverz Schmitt triggerről beszélünk.

Inverz Schmitt trigger

Ebben a Schmitt-trigger típusban a bemenet az operátor amplifikátor inverz terminálján adódik meg. A pozitív visszacsatolás a kimenetről a bemenetre.

Most nézzük meg, hogyan működik ez a áramkör. A pont A-n a feszültség V, és az alkalmazott feszültség (bemeneti feszültség) Vin. Ha az alkalmazott feszültség Vin nagyobb, mint V, akkor a áramkör kimenete alacsony lesz. Ha az alkalmazott feszültség Vin kisebb, mint V, akkor a áramkör kimenete magas lesz.

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

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

Most számítsuk ki a V egyenletét.

Alkalmazva a Kirchhoff-féle áramtörvényt (KCL),

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

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

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

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

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

Most, tegyük fel, hogy a Schmitt-trigger kimenete magas. Ebben az esetben,

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

Tehát a fenti egyenlet alapján;

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

Ha a bemeneti jel nagyobb, mint V1, akkor a Schmitt-trigger kimenete alacsony lesz. Így, V1 a felső küszöbfeszültség (VUT).

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

A kimenet alacsony marad, amíg a bemeneti jel kisebb, mint V. Ha a Schmitt-trigger kimenete alacsony, akkor ebben az állapotban,

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

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

A kimeneti jel magas marad, amíg a bemeneti jel kisebb, mint V2. Így a V2 alsó küszöbfeszültségnek (VLT) nevezik.

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

Nem-inverz Schmitt Trigger

A nem-inverz Schmitt trigger esetén a bemeneti jel az Op-Amp nem-inverz termináljára kerül. Pozitív visszacsatolás van alkalmazva a kimenetről a bemenetre. Az Op-Amp inverz terminálja a földelésre van csatlakoztatva. A nem-inverz Schmitt trigger áramkörének rajza alább látható.

Ebben az áramkörben a Schmitt trigger kimenete magas, ha a V feszültség nagyobb, mint nulla. A kimenet pedig alacsony, ha a V feszültség kisebb, mint nulla.

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

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

Most, mostasszük a V feszültség egyenletét. Ehhez alkalmazzuk a KCL-t az adott csomóponthoz.

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

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

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

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

Most osszuk, hogy az Op-Amp kimenete alacsony. Így a Schmitt-trigger kimeneti feszültsége VL. A V feszültség pedig egyenlő V1.

Ebben az esetben,

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

A fenti egyenlet alapján,

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

Amikor a V₁ feszültség nagyobb nullánál, a kimenet magas lesz. Ebben az esetben,

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

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

Ha a fenti feltétel teljesül, a kimenet magas lesz. Ezért ezzel az egyenlettel megkapjuk a felső küszöbfeszültség (V_UT) értékét.

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

Tegyük fel, hogy a Schmitt-trigger kimenete magas, és a V feszültség megegyezik a V₂-vel.

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

A V feszültség egyenletéből.

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

A Schmitt-trigger kimenete alacsony lesz, amikor a V2 feszültség kisebb, mint nulla. Ebben az esetben,

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

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

A fenti egyenlet megadja az alsó küszöbfeszültség (VLT) értékét.

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

Tranzisztor alapú Schmitt Trigger

A Schmitt trigger áramkör két tranzisztor segítségével is tervezhető. A tranzisztor alapú Schmitt trigger áramkör diagramja a következő ábrán látható.

Vin = bemeneti feszültség
Vref = Referencia feszültség = 5V

Tegyük fel, hogy a kezdetben a bemeneti feszültség (Vin) nulla. A bemeneti feszültséget a T1 tranzisztor bázisán adjuk. Ebben a helyzetben a T1 tranzisztor a lezárási régióban működik, és nem vezet át.

Va és Vb csomóponti feszültségek. A referencia feszültség 5V. Így a Va és Vb értékét a feszültségosztó szabály alapján számolhatjuk ki.

A Vb feszültség adódik a T2 tranzisztor bázisának. Ez 1,98V. Így a T2 tranzisztor vezető. Ennek következtében a Schmitt trigger kimenete alacsony. Az emi feszültséges csökkenés körülbelül 0,7V. Tehát a tranzisztor bázisának feszültsége 1,28V.

A T2 tranzisztor emi-je csatlakoztatva van a T1 tranzisztor emi-jéhez. Így mindkét tranzisztor ugyanazon 1,28V szinten működik.

Ez azt jelenti, hogy a T1 tranzisztor akkor működik, amikor a bejövő feszültség 0,7V felett van 1,28V-nál, vagy több, mint 1,98V (1,28V + 0,7V).

Most növeljük a bejövő feszültséget 1,98V felett, és a T1 tranzisztor elkezd vezetni. Ez okozza a T2 tranzisztor bázisának feszültségcsökkenését, és ez kivágja a T2 tranzisztor. Ennek következtében a Schmitt trigger kimenete magas.

A bejövő feszültség csökken. A T1 tranzisztor kivág, amikor a bejövő feszültség 0,7V alatt van 1,98V-nál, és ez 1,28V. Ebben az állapotban a T2 tranzisztor elégséges feszültséget kap a referenciavoltból, és ez bekapcsolja. Ez alacsonyra hozza a Schmitt trigger kimenetét.

Tehát ebben az állapotban két küszöbünk van, egy alsó küszöb 1,28V-nál, és egy felső küszöb 1,98V-nál.

Schmitt Trigger Oscillátor

A Schmitt Trigger használható oszcillátorként egyetlen RC integrált áramkörrel való összekapcsolásával. A Schmitt trigger oszcillátor ábrája a következő ábrán látható.

A áramkör kimenete egy folyamatos négyzet alakú hullám. A hullámforma frekvenciája az R, C és a Schmitt Trigger küszöbpontjának értékétől függ.

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

Ahol k egy konstans, és 0,2 és 1 közötti értéket vehet fel.

CMOS Schmitt Trigger

Egy egyszerű jel inverzor áramkör ellentétes kimeneti jelet ad, mint amit a bemeneti jel. Például, ha a bemeneti jel magas, a kimeneti jel alacsony egy egyszerű inverzorban. Ha a bemeneti jelben impulzusok (zaj) vannak, a kimeneti jel reagál az impulzusokra. Ez nem kívánatos. Ezért használjuk a CMOS Schmitt Triggert.

Egyszerű jel inverzor áramkör hullámforma

Az első hullámformában a bemeneti jelnek nincsenek zajai, így a kimenet tökéletes. A második ábrán a bemeneti jelben zajok vannak, és a kimeneti jel is reagál erre. Ez a helyzet elkerülhető a CMOS Schmitt Trigger használatával.

Az alábbi áramkör-diagram a CMOS Schmitt Trigger szerkezetét mutatja. A CMOS Schmitt Trigger 6 tranzisztorból áll, beleértve PMOS és NMOS tranzisztorokat.

Először meg kell tudnunk, mi a PMOS és NMOS tranzisztor. A PMOS és NMOS tranzisztorok szimbólumai láthatók az alábbi ábrán.

Az NMOS tranzisztor vezet, ha a VG nagyobb, mint a VS vagy VD. Az PMOS tranzisztor vezet, ha a VG kisebb, mint a VS vagy VD. A CMOS Schmitt Trigger esetén egy PMOS és egy NMOS tranzisztor hozzáadódik egy egyszerű inverzorhoz.

Az első esetben a bemeneti feszültség magas. Ebben az állapotban a PN tranzisztor BE van kapcsolva, míg az NN tranzisztor KI van kapcsolva. Ezáltal egy útvonal jön létre a A csomópont földeléséhez. Tehát a CMOS Schmitt-trigger kimenete nulla lesz.

A második esetben a bemeneti feszültség ismét magas. Ebben az állapotban az NN tranzisztor BE van kapcsolva, míg a PN tranzisztor KI van kapcsolva. Ezáltal egy útvonal jön létre a B csomópont VDD (Magas) feszültséghez. Tehát a CMOS Schmitt-trigger kimenete magas lesz.

Schmitt-trigger alkalmazásai

A Schmitt-trigger alkalmazásai a következők:

A Schmitt-trigger használatos szinusz- és háromszögjel négyzetjellé alakítására.
A Schmitt-trigger legfontosabb felhasználása a zajszűrés a digitális áramkörökben.
Használható funkciógenerátorként is.
Oszcillátorként is alkalmazható.
A Schmitt-trigger RC-körrel kombinálva használható kapcsolórekészítésre.

Forrás: Electrical4u.

Kijelentés: Tisztelettel bázza az eredeti, jó cikkek megosztásra méltóak, ha sérülés történik, kérjük, lépjen kapcsolatba a törlés érdekében.

Adományozz és bátorítsd a szerzőt!

Témák:

Körteoria

Schmitt Trigger

Szakértők névjegye

Electrical4u

China