シュミットトリガ：それは何でどのように動作するのか

フィールド: 基本電気

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シュミットトリガーとは何か

シュミットトリガーは比較器回路であり、比較器または差動アンプリファイアの非反転入力に正帰還を適用することでヒステリシスを実装しています。シュミットトリガーは、入力信号のノイズを避けるために2つの異なる閾値電圧レベルを使用します。この二重閾値による動作はヒステリシスと呼ばれています。

シュミットトリガーは、アメリカの科学者オットー・H・シュミットによって1934年に発明されました。

通常の比較器には1つの閾値信号しか含まれていません。そして、それは閾値信号と入力信号を比較します。しかし、入力信号にノイズがある場合、出力信号に影響を与える可能性があります。 a schmitt trigger.png

上記の図では、AおよびBの位置でのノイズにより、入力信号（V1）が基準信号（V2）のレベルを超えます。この期間中、V1はV2よりも低く、出力は低くなります。

したがって、比較器の出力は入力信号のノイズに影響を受けます。また、比較器はノイズから保護されていません。

「シュミットトリガー」の名前の「トリガー」は、出力が入力が十分に変化して「トリガー」されるまでその値を保持するという事実から来ています。

シュミットトリガーの動作原理

シュミットトリガーは、入力信号がノイジーであっても適切な結果を提供します。それは2つの閾値電圧を使用します。1つ目は上限閾値電圧（VUT）、2つ目は下限閾値電圧（VLT）です。

シュミットトリガーの出力は、入力信号がVUTを超えるまで低く保たれます。一旦入力信号がこの限界VUTを超えると、シュミットトリガーの出力信号は入力信号がVLTのレベル以下になるまで高くなります。

シュミットトリガーの動作を例を用いて理解しましょう。ここでは初期入力がゼロであると仮定します。

シュミットトリガを使用したノイズ効果

ここでは、初期の入力信号がゼロであり、上記の図のように徐々に増加すると仮定しています。

シュミットトリガの出力信号は、点Aまで低レベルのままです。点Aで、入力信号が上側のしきい値（VUT）を超えると、高レベルの出力信号になります。

出力信号は、点Bまで高レベルのままです。点Bで、入力信号が下側のしきい値を下回ると、出力信号は低レベルになります。

そして再び、点Cで、入力信号が上側のしきい値を超えると、出力は高レベルになります。

この条件下では、入力信号がノイジーであることがわかりますが、ノイズは出力信号には影響を与えません。

シュミットトリガ回路

シュミットトリガ回路は正のフィードバックを使用します。したがって、この回路は再生比較器回路とも呼ばれます。シュミットトリガ回路は、オペアンプとトランジスタを使用して設計することができます。そして、以下のように分類されます。

オペアンプベースのシュミットトリガ
トランジスタベースのシュミットトリガ

オペアンプベースのシュミットトリガ

シュミットトリガ回路は、オペアンプを使用して2つの方法で設計できます。入力信号がオペアンプの反転入力端子に接続されている場合、これを反転シュミットトリガと呼びます。また、入力信号が非反転入力端子に接続されている場合、これを非反転シュミットトリガと呼びます。

反転シュミットトリガ

このタイプのシュミットトリガでは、入力はオペアンプの反転端子に与えられ、出力から入力への正のフィードバックがあります。

では、この回路がどのように動作するかを理解しましょう。点Aで電圧はVであり、適用される電圧（入力電圧）はVinです。適用された電圧VinがVよりも大きい場合、回路の出力は低になります。そして、適用された電圧VinがVよりも小さい場合、回路の出力は高くなります。

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

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

次に、Vの方程式を計算します。

キルヒホッフの電流法則 (KCL) を適用して、

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

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

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

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

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

次に、スミットトリガの出力が高くなると仮定します。この条件下では

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

したがって、上記の式から；

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

入力信号がV1よりも大きい場合、シュミットトリガの出力はローになります。従って、V1は上限閾値電圧（VUT）となります。

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

入力信号がVより小さいまでは、出力はローのままです。シュミットトリガの出力がローの場合、この状態では、

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

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

ここで、出力は入力信号がV2未満である間は高値のままです。したがって、V2は下限閾値電圧（VLT）として知られています。

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

非反転シュミットトリガ

非反転シュミットトリガでは、入力信号はオペアンプの非反転端子に適用されます。そして、出力から入力への正のフィードバックが適用されます。オペアンプの反転端子は接地端子に接続されています。非反転シュミットトリガの回路図は以下の図に示されています。

この回路では、電圧Vがゼロより大きいときにはシュミットトリガの出力が高値になります。また、電圧Vがゼロ未満のときには出力が低値になります。

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

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

次に、電圧Vの式を見つけます。そのためには、そのノードでKCLを適用します。

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

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

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

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

ここで、オペアンプの出力が低いと仮定します。したがって、スミストリガの出力電圧はVLとなります。そして、電圧VはV1に等しいです。

この条件では、

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

上記の式から、

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

電圧V1がゼロより大きい場合、出力は高くなります。この条件下で

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

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

上記の条件が満たされるとき、出力は高くなります。したがって、この式は上限閾値電圧（VUT）の値を与えます。

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

次に、シュミットトリガーの出力が高くなると仮定します。そして、電圧VはV2に等しいです。

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

電圧Vの式から。

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

シュミットトリガーの出力は、電圧V2がゼロ未満になったときにローになります。この条件では、

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

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

上記の式は、下限閾値電圧（VLT）の値を示しています。

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

トランジスタを使用したシュミットトリガ

シュミットトリガ回路は、2つのトランジスタを使用して設計することができます。トランジスタを使用したシュミットトリガの回路図は以下の回路に示されています。

Vin = 入力電圧
Vref = 参照電圧 = 5V

最初に、入力電圧Vinがゼロであると仮定します。入力電圧はトランジスタT1のベースに与えられます。この状態では、トランジスタT1はカットオフ領域で動作し、非導通状態となります。

VaおよびVbはノード電圧です。参照電圧は5Vです。したがって、電圧分割則を使用してVaおよびVbの値を計算することができます。

トランジスタT2のベースに与えられる電圧Vbは1.98Vです。そのため、トランジスタT2は導通しています。これにより、シュミットトリガの出力はローとなります。エミッタでの電圧降下は約0.7Vです。したがって、トランジスタのベース電圧は1.28Vです。

トランジスタT2のエミッタはトランジスタT1のエミッタと接続されています。よって、両トランジスタは1.28Vで同じレベルで動作します。

これは、入力電圧が1.28Vより0.7V以上または1.98V（1.28V + 0.7V）を超えたときにトランジスタT1が動作することを意味します。

次に、入力電圧を1.98V以上に増加させると、トランジスタT1が導通し始めます。これにより、トランジスタT2のベース電圧が低下し、トランジスタT2がカットオフされます。これにより、シュミットトリガの出力はハイになります。

入力電圧が減少し始めると、入力電圧が1.98Vより0.7V未満、つまり1.28VになったときにトランジスタT1がカットオフされます。この状態では、トランジスタT2が基準電圧から十分な電圧を得てオンになります。これにより、シュミットトリガの出力はローになります。

したがって、この状態では、1.28Vの下限閾値と1.98Vの上限閾値の2つの閾値があります。

シュミットトリガ発振回路

シュミットトリガは単一のRC積分回路を接続することで発振回路として使用できます。シュミットトリガ発振回路の回路図は以下の図に示されています。

この回路の出力は連続した矩形波です。そして、波形の周波数はR、C、およびシュミットトリガーのしきい値によって決まります。

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

ここでkは定数で、その値は0.2から1の範囲内です。

CMOSシュミットトリガー

単純な信号反転回路は、入力信号と逆の出力信号を生成します。例えば、入力信号が高電位の場合、単純な反転回路の出力信号は低電位になります。しかし、入力信号にノイズ（スパイク）がある場合、出力信号はスパイクに対して反応します。これは望ましくありません。そのため、CMOSシュミットトリガーが使用されます。

最初の波形では、入力信号にノイズはありません。そのため、出力は完璧です。しかし、2番目の図では、入力信号にノイズがあります。出力もこのノイズに対して反応しています。これを避けるために、CMOSシュミットトリガーが使用されます。

以下の回路図は、CMOSシュミットトリガーの構成を示しています。CMOSシュミットトリガーは、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタを含む6つのトランジスタで構成されています。

まず、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタとは何なのかを理解する必要があります。PMOSトランジスタとNMOSトランジスタの記号は以下の図に示されています。

NMOSトランジスタは、VGがVSまたはVDよりも大きいときに導通します。PMOSトランジスタは、VGがVSまたはVDよりも小さいときに導通します。CMOSシュミットトリガーでは、単純な反転回路にPMOSトランジスタとNMOSトランジスタが追加されています。

最初のケースでは、入力電圧が高いです。この条件下では、PNトランジスタはオンで、NNトランジスタはオフとなります。そして、ノードAに接地へのパスが作られます。したがって、CMOSシュミットトリガの出力はゼロになります。

2つ目のケースでは、入力電圧が高いです。この条件下では、NNトランジスタはオンで、PNトランジスタはオフとなります。これにより、ノードBには高電圧VDDへのパスが作られます。したがって、CMOSシュミットトリガの出力は高くなります。

シュミットトリガの応用

シュミットトリガの応用は以下の通りです。

シュミットトリガは正弦波や三角波を矩形波に変換するために使用されます。
シュミットトリガの最も重要な用途はデジタル回路でのノイズ除去です。
また、関数発生器としても使用されます。
振動子の実装にも利用されます。
シュミットトリガはRC回路と共にスイッチのチャタリング防止に使用されます。

出典: Electrical4u.

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