Trigger di Schmitt: Cos'è e come funziona?

Campo: Elettricità di base

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Cos'è un Trigger di Schmitt?

Un Trigger di Schmitt è un circuito comparatore con isteresi implementato applicando un feedback positivo all'ingresso non invertente di un comparatore o amplificatore differenziale. Un Trigger di Schmitt utilizza due soglie di tensione d'ingresso diverse per evitare il rumore nel segnale di ingresso. L'azione di queste due soglie è nota come isteresi.

Il Trigger di Schmitt fu inventato dallo scienziato americano Otto H Schmitt nel 1934.

Il comparatore normale contiene solo un segnale di soglia. E confronta il segnale di soglia con un segnale di ingresso. Tuttavia, se il segnale di ingresso ha del rumore, questo può influire sul segnale di uscita. a schmitt trigger.png

Nella figura sopra, a causa del rumore nelle posizioni A e B, il segnale di ingresso (V1) supera il livello del segnale di riferimento (V2). Durante questo periodo, V1 è inferiore a V2 e l'uscita è bassa.

Pertanto, l'uscita del comparatore è influenzata dal rumore nel segnale di ingresso. E il comparatore non è protetto dal rumore.

Il termine "trigger" in "Trigger di Schmitt" deriva dal fatto che l'uscita mantiene il suo valore fino a quando l'ingresso varia sufficientemente da "innescare" un cambiamento.

Come funziona un Trigger di Schmitt?

Il Trigger di Schmitt fornisce risultati corretti anche se il segnale di ingresso è rumoroso. Utilizza due tensioni di soglia; una è la tensione di soglia superiore (VUT) e la seconda è la tensione di soglia inferiore (VLT).

L'uscita del Trigger di Schmitt rimane bassa fino a quando il segnale di ingresso non supera VUT. Una volta che il segnale di ingresso supera questo limite VUT, il segnale di uscita del Trigger di Schmitt rimane alto fino a quando il segnale di ingresso non scende al di sotto del livello di VLT.

Comprendiamo il funzionamento del Trigger di Schmitt con un esempio. Supponiamo che l'ingresso iniziale sia zero.

Effetto del rumore con il Trigger di Schmitt

Qui, abbiamo assunto che il segnale di ingresso iniziale sia zero e che aumenti gradualmente come mostrato nella figura sopra.

Il segnale di uscita del trigger di Schmitt rimane basso fino al punto A. Al punto A, il segnale di ingresso supera il livello della soglia superiore (VUT) e genera un segnale di uscita alto.

Il segnale di uscita rimane alto fino al punto B. Al punto B, il segnale di ingresso scende al di sotto della soglia inferiore. E questo fa diventare il segnale di uscita basso.

E ancora, al punto C, quando il segnale di ingresso supera la soglia superiore, l'uscita è alta.

In questa condizione, possiamo vedere che il segnale di ingresso è rumoroso. Ma il rumore non influenza il segnale di uscita.

Circuito Trigger di Schmitt

Il circuito del trigger di Schmitt utilizza un feedback positivo. Pertanto, questo circuito è anche noto come circuito comparatore rigenerativo. Il circuito del Trigger di Schmitt può essere progettato con l'aiuto di Op-Amp e Transistore. Ed è classificato come:

Trigger di Schmitt basato su Op-Amp
Trigger di Schmitt basato su Transistore

Trigger di Schmitt basato su Op-Amp

Il circuito del trigger di Schmitt può essere progettato utilizzando l'Op-Amp in due modi. Se il segnale di ingresso è collegato al punto inverso dell'Op-Amp, è noto come Trigger di Schmitt Inverso. E se il segnale di ingresso è collegato al punto non inverso dell'Op-Amp, è noto come Trigger di Schmitt Non Inverso.

Trigger di Schmitt Inverso

In questo tipo di trigger di Schmitt, l'ingresso viene fornito al terminale inverter dell'amplificatore operazionale. E il feedback positivo dall'uscita all'ingresso.

Ora, cerchiamo di capire come funziona questo circuito. Al punto A, la tensione è V e la tensione applicata (tensione d'ingresso) è Vin. Se la tensione applicata Vin è maggiore di V, l'uscita del circuito sarà bassa. E se la tensione applicata Vin è minore di V, l'uscita del circuito sarà alta.

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

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

Ora, calcoliamo l'equazione di V.

Applicando la Legge della corrente di Kirchhoff (KCL),

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

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

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

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

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

Ora, supponiamo che l'uscita del trigger di Schmitt sia alta. In questa condizione,

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

Quindi, dall'equazione sopra;

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

Quando il segnale di ingresso è maggiore di V1, l'uscita del trigger di Schmitt diventa bassa. Pertanto, V1 è una tensione di soglia superiore (VUT).

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

L'uscita rimarrà bassa fino a quando il segnale di ingresso sarà inferiore a V. Quando l'uscita del trigger di Schmitt è bassa, in questa condizione,

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

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

Ora, l'uscita rimane alta fino a quando il segnale di ingresso è inferiore a V2. Pertanto, V2 è conosciuta come tensione di soglia inferiore (VLT).

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

Trigger di Schmitt non inverter

Nel trigger di Schmitt non inverter, il segnale di ingresso viene applicato al terminale non invertente dell'Op-Amp. Viene applicato un feedback positivo dall'uscita all'ingresso. Il terminale invertente dell'Op-Amp è collegato al terminale di massa. Lo schema del circuito del trigger di Schmitt non inverter è mostrato nella figura sottostante.

In questo circuito, l'uscita del trigger di Schmitt sarà alta quando la tensione V è maggiore di zero. L'uscita sarà bassa quando la tensione V è minore di zero.

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

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

Ora, troviamo l'equazione della tensione V. Per farlo, applichiamo KCL a quel nodo.

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

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

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

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

Ora, supponiamo che l'uscita dell'Op-Amp sia bassa. Pertanto, la tensione di uscita del trigger di Schmitt è VL. E la tensione V è uguale a V1.

In questa condizione,

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

Dall'equazione sopra,

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

Quando la tensione V1 è maggiore di zero, l'uscita sarà alta. In questa condizione,

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

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

Quando la condizione sopra menzionata è soddisfatta, l'uscita sarà alta. Pertanto, questa equazione fornisce il valore della tensione di soglia superiore (VUT).

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

Ora si supponga che l'uscita del trigger di Schmitt sia alta. E la tensione V è uguale a V2.

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

Dall'equazione della tensione V.

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

L'uscita del trigger di Schmitt diventerà bassa quando la tensione V2 è inferiore a zero. In questa condizione,

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

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

L'equazione sopra fornisce il valore della tensione di soglia inferiore (VLT).

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

Dispositivo a trigger di Schmitt basato su transistor

Il circuito del trigger di Schmitt può essere progettato con l'aiuto di due transistor. Il diagramma del circuito del dispositivo a trigger di Schmitt basato su transistor è riportato nel circuito sottostante.

Vin = tensione di ingresso
Vref = Tensione di riferimento = 5V

Supponiamo che, all'inizio, la tensione di ingresso Vin sia zero. La tensione di ingresso viene fornita alla base del transistor T1. Pertanto, in questa condizione, il transistor T1 opera nella regione di interruzione e rimane non conduttore.

Va e Vb sono le tensioni ai nodi. La tensione di riferimento è di 5V. Quindi, possiamo calcolare i valori di Va e Vb utilizzando la regola del divisore di tensione.

La tensione Vb viene fornita alla base del transistor T2. E' di 1,98V. Pertanto, il transistor T2 è in conduzione. A causa di ciò, l'uscita del trigger di Schmitt è bassa. La caduta di tensione all'emettitore è circa 0,7V. Quindi, la tensione alla base del transistor è 1,28V.

L'emettitore del transistor T2 è collegato con l'emettitore del transistor T1. Pertanto, entrambi i transistor operano allo stesso livello di 1,28V.

Ciò significa che il transistor T1 entrerà in conduzione quando la tensione d'ingresso sarà 0,7V superiore a 1,28V o maggiore di 1,98V (1,28V + 0,7V).

Ora, aumentiamo la tensione d'ingresso oltre 1,98V e il transistor T1 inizierà a condurre. Ciò provoca una caduta di tensione alla base del transistor T2 e lo interromperà. A causa di ciò, l'uscita del trigger di Schmitt è alta.

La tensione d'ingresso inizia a diminuire. Il transistor T1 si interromperà quando la tensione d'ingresso sarà 0,7V inferiore a 1,98V, ovvero 1,28V. In questa condizione, il transistor T2 riceverà una tensione sufficiente dalla tensione di riferimento e si attiverà. Questo rende l'uscita del trigger di Schmitt bassa.

Pertanto, in questa condizione, abbiamo due soglie, una soglia inferiore a 1,28V e una soglia superiore a 1,98V.

Oscillatore a Trigger di Schmitt

Il Trigger di Schmitt può essere utilizzato come oscil l atore collegando un singolo circuito integrato RC. Il diagramma del circuito dell'oscillatore a trigger di Schmitt è mostrato nella figura sottostante.

L'uscita del circuito è un'onda quadra continua. E la frequenza dell'onda dipende dal valore di R, C e dal punto di soglia del Trigger di Schmitt.

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

Dove k è una costante e varia tra 0,2 e 1.

Trigger di Schmitt CMOS

Il semplice circuito inversore di segnale fornisce un segnale di uscita opposto al segnale di ingresso. Ad esempio, se il segnale di ingresso è alto, il segnale di uscita è basso per un circuito inversore semplice. Ma se il segnale di ingresso ha impulsi (rumore), il segnale di uscita reagirà a questi impulsi. Questo non lo vogliamo. Pertanto, viene utilizzato il trigger di Schmitt CMOS.

Forma d'onda del circuito inversore di segnale semplice

Nella prima forma d'onda, il segnale di ingresso non ha rumore. Quindi, l'uscita è perfetta. Ma nella seconda figura, il segnale di ingresso ha un po' di rumore. L'uscita reagisce anche a questo rumore. Per evitare questa condizione, viene utilizzato il trigger di Schmitt CMOS.

Il diagramma del circuito sottostante mostra la costruzione del trigger di Schmitt CMOS. Il trigger di Schmitt CMOS è composto da 6 transistor, inclusi transistor PMOS e NMOS.

Prima, dobbiamo sapere, cos'è un transistor PMOS e NMOS? I simboli dei transistor PMOS e NMOS sono mostrati nella figura sottostante.

Il transistor NMOS conduce quando VG è maggiore di VS o VD. E il transistor PMOS conduce quando VG è minore di VS o VD. Nel trigger di Schmitt CMOS, un transistor PMOS e un transistor NMOS vengono aggiunti in un semplice circuito inversore.

Nel primo caso, la tensione di ingresso è alta. In questa condizione, il transistor PN è acceso e il transistor NN è spento. E crea un percorso a massa per il nodo A. Pertanto, l'uscita del trigger Schmitt CMOS sarà zero.

Nel secondo caso, la tensione di ingresso è alta. In questa condizione, il transistor NN è acceso e il transistor PN è spento. Creerà un percorso alla tensione VDD (Alto) per il nodo B. Pertanto, l'uscita del trigger Schmitt CMOS sarà alta.

Applicazioni del Trigger Schmitt

Le applicazioni del trigger Schmitt sono le seguenti.

Il trigger Schmitt viene utilizzato per convertire onde sinusoidali e triangolari in onde quadre.
L'utilizzo più importante dei trigger Schmitt è quello di rimuovere il rumore nei circuiti digitali.
Viene anche utilizzato come generatore di funzioni.
Viene utilizzato per implementare un oscillatore.
I trigger Schmitt con il circuito RC vengono utilizzati per il debouncing degli interruttori.

Fonte: Electrical4u.

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