Schmitt 트리거: 무엇이며 어떻게 작동하는가?

필드: 기본 전기학

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슈미트 트리거란 무엇인가요?

슈미트 트리거는 비교기 또는 차동 증폭기에 비역전 입력에 양의 피드백을 적용하여 히스테리시스를 구현한 회로입니다. 슈미트 트리거는 입력 신호의 노이즈를 피하기 위해 두 개의 다른 임계 전압 수준을 사용합니다. 이 듀얼 임계값의 작용은 히스테리시스로 알려져 있습니다.

슈미트 트리거는 1934년 미국 과학자 오토 H 슈미트에 의해 발명되었습니다.

일반적인 비교기는 하나의 임계 신호만 포함하고 있으며 이를 입력 신호와 비교합니다. 그러나 입력 신호에 노이즈가 있는 경우 출력 신호에 영향을 미칠 수 있습니다. a schmitt trigger.png

위 그림에서 A와 B 위치에서의 노이즈로 인해 입력 신호(V1)가 참조 신호(V2)의 수준을 넘습니다. 이 기간 동안 V1은 V2보다 낮으며 출력은 낮습니다.

따라서 비교기의 출력은 입력 신호의 노이즈에 영향을 받게 됩니다. 그리고 비교기는 노이즈로부터 보호되지 않습니다.

"슈미트 트리거"라는 이름의 "트리거"는 출력이 입력이 충분히 변화하여 "트리거"를 작동시키기 전까지 값이 유지된다는 사실에서 유래되었습니다.

슈미트 트리거는 어떻게 작동하나요?

입력 신호가 노이즈가 있어도 슈미트 트리거는 적절한 결과를 제공합니다. 이는 상위 임계 전압(VUT)과 하위 임계 전압(VLT)이라는 두 개의 임계 전압을 사용합니다.

입력 신호가 VUT를 초과할 때까지 슈미트 트리거의 출력은 낮게 유지됩니다. 입력 신호가 이 제한 VUT를 초과하면 슈미트 트리거의 출력 신호는 입력 신호가 VLT 수준 아래로 떨어질 때까지 높게 유지됩니다.

초기 입력이 0이라고 가정하고 슈미트 트리거의 작동을 이해해봅시다.

Schmitt 트리거의 노이즈 효과

여기서는 초기 입력 신호가 0이라고 가정하고, 위 그림에서 보이는 것처럼 점점 증가한다고 가정하였습니다.

Schmitt 트리거의 출력 신호는 A점까지 낮게 유지됩니다. A점에서 입력 신호가 상위 임계값(VUT)을 초과하면 높은 출력 신호를 생성합니다.

출력 신호는 B점까지 높게 유지됩니다. B점에서 입력 신호가 하위 임계값 아래로 내려가면 출력 신호가 낮아집니다.

다시 C점에서 입력 신호가 상위 임계값을 초과하면 출력이 높아집니다.

이 상태에서는 입력 신호가 노이즈가 있는 것을 볼 수 있지만, 노이즈는 출력 신호에 영향을 미치지 않습니다.

Schmitt 트리거 회로

Schmitt 트리거 회로는 양의 피드백을 사용합니다. 따라서 이 회로는 재생 비교 회로라고도 합니다. Schmitt 트리거 회로는 오퍼레이션 앰프와 트랜지스터를 사용하여 설계할 수 있습니다. 그리고 다음과 같이 분류됩니다;

오퍼레이션 앰프 기반 Schmitt 트리거
트랜지스터 기반 Schmitt 트리거

오퍼레이션 앰프 기반 Schmitt 트리거

Schmitt 트리거 회로는 오퍼레이션 앰프를 사용하여 두 가지 방법으로 설계할 수 있습니다. 입력 신호가 오퍼레이션 앰프의 역상입점을 연결되는 경우, 이를 역상 Schmitt 트리거라고 합니다. 입력 신호가 오퍼레이션 앰프의 비역상입점을 연결되는 경우, 이를 비역상 Schmitt 트리거라고 합니다.

역상 Schmitt 트리거

이 유형의 슈미트 트리거에서는 입력이 오퍼 앰프의 역상 단자에 주어지고 출력에서 입력으로 양성 피드백이 제공됩니다.

이제 이 회로가 어떻게 작동하는지 이해해봅시다. A 지점에서 전압은 V이고 적용된 전압(입력 전압)은 Vin입니다. 만약 적용된 전압 Vin이 V보다 크다면, 회로의 출력은 낮을 것입니다. 그리고 만약 적용된 전압 Vin이 V보다 작다면, 회로의 출력은 높을 것입니다.

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

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

이제 V의 방정식을 계산해보겠습니다.

키르히호프의 전류 법칙 (KCL)을 적용하면,

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

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

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

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

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

이제 슈미트 트리거의 출력이 높다고 가정해보겠습니다. 이 조건에서

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

따라서 위의 방정식에서;

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

입력 신호가 V1보다 클 때 슈미트 트리거의 출력은 낮아집니다. 따라서 V1은 상위 임계 전압(VUT)입니다.

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

출력은 입력 신호가 V보다 작을 때까지 낮게 유지됩니다. 슈미트 트리거의 출력이 낮을 때 이 상태에서는

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

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

이제 출력은 입력 신호가 V2보다 작을 때까지 높게 유지됩니다. 따라서 V2는 하위 임계 전압(VLT)으로 알려져 있습니다.

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

비역상 슈미트 트리거

비역상 슈미트 트리거에서는 입력 신호가 오퍼앰프의 비역상 단자에 적용됩니다. 그리고 출력에서 입력으로 양의 피드백이 적용됩니다. 오퍼앰프의 역상 단자는 지면 단자에 연결됩니다. 아래 그림과 같이 비역상 슈미트 트리거의 회로도가 표시됩니다.

이 회로에서 V 전압이 0보다 클 때 슈미트 트리거의 출력은 높습니다. V 전압이 0보다 작을 때 출력은 낮습니다.

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

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

이제 전압 V의 방정식을 찾겠습니다. 이를 위해 해당 노드에서 KCL을 적용합니다.

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

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

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

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

이제, 오프앰프의 출력이 낮다고 가정해보겠습니다. 따라서 슈미트 트리거의 출력 전압은 VL이며, 전압 V는 V1과 같습니다.

이 상태에서,

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

위의 방정식으로부터,

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

전압 V1이 0보다 클 때 출력은 높아집니다. 이 조건에서

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

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

위 조건이 만족될 때 출력은 높아집니다. 따라서 이 방정식은 상한 임계 전압(VUT)의 값을 제공합니다.

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

이제 슈미트 트리거의 출력이 높다고 가정해봅시다. 그리고 전압 V는 V2와 같습니다.

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

전압 V의 방정식에서.

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

스미트 트리거의 출력이 전압 V2가 영보다 작을 때 낮아집니다. 이 조건에서는,

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

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

위의 방정식은 하한 임계 전압(VLT) 값을 제공합니다.

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

트랜지스터 기반 슈미트 트리거

슈미트 트리거 회로는 두 개의 트랜지스터를 사용하여 설계할 수 있습니다. 트랜지스터 기반 슈미트 트리거의 회로도는 아래 회로에 표시되어 있습니다.

Vin = 입력 전압
Vref = 참조 전압 = 5V

처음에는 입력 전압 Vin이 0이라고 가정해봅시다. 입력 전압은 트랜지스터 T1의 베이스에 주어집니다. 따라서 이러한 조건에서 트랜지스터 T1은 차단 영역에서 작동하며 전도되지 않습니다.

Va와 Vb는 노드 전압입니다. 참조 전압은 5V로 설정됩니다. 따라서 전압 분배 법칙을 사용하여 Va와 Vb의 값을 계산할 수 있습니다.

전압 Vb가 트랜지스터 T2의 베이스에 주어집니다. 그리고 이 값은 1.98V입니다. 따라서, 트랜지스터 T2는 전도 상태입니다. 이로 인해 슈미트 트리거의 출력은 낮습니다. 에미터에서의 전압 강하는 약 0.7V입니다. 따라서, 트랜지스터의 베이스 전압은 1.28V입니다.

트랜지스터 T2의 에미터는 트랜지스터 T1의 에미터와 연결되어 있습니다. 따라서, 두 트랜지스터는 1.28V에서 동일한 수준으로 작동합니다.

이는 입력 전압이 1.28V보다 0.7V 이상 또는 1.98V (1.28V + 0.7V) 이상일 때 트랜지스터 T1가 작동한다는 것을 의미합니다.

이제, 입력 전압을 1.98V보다 더 높게 증가시키면, 트랜지스터 T1가 전도를 시작합니다. 이로 인해 트랜지스터 T2의 베이스 전압이 하락하고, 트랜지스터 T2가 차단됩니다. 이를 통해 슈미트 트리거의 출력은 높아집니다.

입력 전압이 감소하기 시작합니다. 입력 전압이 1.98V보다 0.7V 적어 1.28V일 때, 트랜지스터 T1가 차단됩니다. 이러한 조건에서는 트랜지스터 T2가 참조 전압으로부터 충분한 전압을 얻고, 이로 인해 트랜지스터 T2가 켜집니다. 이로 인해 슈미트 트리거의 출력은 낮아집니다.

따라서, 이러한 조건에서는 1.28V의 낮은 임계값과 1.98V의 높은 임계값 두 가지 임계값이 있습니다.

슈미트 트리거 오실레이터

슈미트 트리거는 단일 RC 집적 회로를 연결하여 오실레이터로 사용할 수 있습니다. 슈미트 트리거 오실레이터의 회로도는 아래 그림과 같습니다.

회로의 출력은 연속적인 사각파입니다. 그리고 파형의 주파수는 R, C 및 Schmitt 트리거의 임계점 값에 따라 달라집니다.

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

여기서 k는 상수이며, 그 값은 0.2에서 1 사이입니다.

CMOS Schmitt 트리거

단순한 신호 인버터 회로는 입력 신호와 반대되는 출력 신호를 생성합니다. 예를 들어, 입력 신호가 높다면 단순 인버터 회로의 출력 신호는 낮습니다. 그러나 입력 신호에 스파이크(잡음)가 있다면, 출력 신호는 스파이크에 반응하여 변화하게 됩니다. 이는 우리가 원하지 않는 것입니다. 따라서 CMOS Schmitt 트리거를 사용합니다.