Schmitt Trigger: Wat is het en hoe werkt het?

Veld: Basis Elektrotechniek

China

Wat is een Schmitt Trigger?

Een Schmitt Trigger is een vergelijkingscircuit met hysteresis dat wordt geïmplementeerd door positieve feedback toe te passen op de niet-inverterende ingang van een comparator of differentiële versterker. Een Schmitt Trigger gebruikt twee verschillende drempelspanningsniveaus om ruis in het ingangssignaal te vermijden. De werking van deze dubbele drempelwaarden wordt hysteresis genoemd.

De Schmitt Trigger werd uitgevonden door de Amerikaanse wetenschapper Otto H Schmitt in 1934.

Een normale comparator bevat slechts één drempelsignaal. En het vergelijkt het drempelsignaal met een ingangssignaal. Maar als het ingangssignaal ruis bevat, kan dit het uitgangssignaal beïnvloeden. a schmitt trigger.png

In de bovenstaande figuur kruist het ingangssignaal (V1) vanwege de ruis op locaties A en B het niveau van het referentiesignaal (V2). Tijdens deze periode is V1 lager dan V2 en is de uitvoer laag.

Daarom wordt de uitvoer van de comparator beïnvloed door de ruis in het ingangssignaal. En de comparator is niet beschermd tegen ruis.

Het woord "trigger" in "Schmitt Trigger" komt doordat de uitvoer zijn waarde behoudt totdat de ingang voldoende varieert om een verandering te "triggeren".

Hoe werkt een Schmitt Trigger?

De Schmitt trigger geeft goede resultaten zelfs als het ingangssignaal ruis bevat. Het gebruikt twee drempelspanningen; de eerste is de bovendrempelspanning (VUT) en de tweede is de onderdrempelspanning (VLT).

De uitvoer van de Schmitt trigger blijft laag totdat het ingangssignaal VUT overschrijdt. Zodra het ingangssignaal deze limiet VUT overschrijdt, blijft de uitvoersignal van de Schmitt trigger hoog totdat het ingangssignaal onder het niveau van VLT ligt.

Laten we de werking van de Schmitt trigger begrijpen met een voorbeeld. We nemen aan dat de initiële ingang nul is.

Geluidseffect met Schmitt Trigger

Hier hebben we aangenomen dat het initiële ingangssignaal nul is en geleidelijk toeneemt, zoals getoond in de bovenstaande figuur.

Het uitgangssignaal van de Schmitt trigger blijft laag tot punt A. Bij punt A stijgt het ingangssignaal boven het niveau van de bovenste drempel (VUT) en maakt het een hoog uitgangssignaal.

Het uitgangssignaal blijft hoog tot punt B. Bij punt B daalt het ingangssignaal onder de onderste drempel. En dit maakt het uitgangssignaal laag.

En opnieuw, bij punt C, wanneer het ingangssignaal boven de bovenste drempel stijgt, is het uitgangssignaal hoog.

In deze situatie zien we dat het ingangssignaal ruis bevat. Maar de ruis heeft geen invloed op het uitgangssignaal.

Schmitt Trigger Circuit

Het Schmitt trigger circuit maakt gebruik van positieve feedback. Daarom wordt dit circuit ook wel het regeneratieve vergelijkerschakeling genoemd. Het Schmitt Trigger circuit kan worden ontworpen met behulp van Operatieversterker en Transistor. Het wordt geclassificeerd als:

Op-amp gebaseerde Schmitt trigger
Transistor gebaseerde Schmitt trigger

Op-amp gebaseerde Schmitt Trigger

Het Schmitt trigger circuit kan op twee manieren worden ontworpen met behulp van een Op-amp. Als het ingangssignaal verbonden is met het inverterende punt van de Op-amp, wordt het een Inverterende Schmitt Trigger. En als het ingangssignaal verbonden is met het niet-inverterende punt van de Op-amp, wordt het een Niet-inverterende Schmitt Trigger.

Inverterende Schmitt Trigger

Bij dit type Schmitt-trigger wordt de ingang gegeven aan de inverterende terminal van de op-amp. En er is positieve feedback van de uitgang naar de ingang.

Laten we nu begrijpen hoe deze schakeling werkt. Op punt A is de spanning V en de aangebrachte spanning (ingangsspanning) is Vin. Als de aangebrachte spanning Vin groter is dan V, zal de uitgang van de schakeling laag zijn. En als de aangebrachte spanning Vin kleiner is dan V, zal de uitgang van de schakeling hoog zijn.

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

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

Bereken nu de vergelijking voor V.

Door toepassing van de Wet van Kirchhoff voor stroom (KCL),

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

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

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

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

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

Laten we nu aannemen dat de uitvoer van de Schmitt-trigger hoog is. In deze toestand,

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

Dus, uit de bovenstaande vergelijking;

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

Wanneer het ingangssignaal groter is dan V1, wordt de uitvoer van de Schmitt-trigger laag. Daarom is V1 een bovengrens spanning (VUT).

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

De uitvoer blijft laag totdat het ingangssignaal kleiner is dan V. Wanneer de uitvoer van de Schmitt-trigger laag is, in deze situatie,

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

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

Nu blijft de uitvoer hoog totdat het ingangssignaal kleiner is dan V2. Daarom wordt V2 bekend als de lagere drempelspanning (VLT).

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

Niet-inverterende Schmitt-trigger

Bij een niet-inverterende Schmitt-trigger wordt het ingangssignaal aangebracht op de niet-inverterende ingang van de versterker. Positieve terugkoppeling wordt toegepast van de uitgang naar de ingang. De inverterende ingang van de versterker is verbonden met de aardingsingang. Het schema van de niet-inverterende Schmitt-trigger is zoals in de onderstaande figuur getoond.

In dit circuit zal de uitvoer van de Schmitt-trigger hoog zijn wanneer de spanning V groter is dan nul. En de uitvoer zal laag zijn wanneer de spanning V kleiner is dan nul.

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

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

Nu laten we de vergelijking voor de spanning V vinden. Hiervoor passen we KCL op dat knooppunt toe.

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

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

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

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

Stel nu dat de uitvoer van de Op-Amp laag is. Daarom is de uitvoerspanning van de Schmitt-trigger VL. En de spanning V is gelijk aan V1.

In deze situatie,

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

Uit de bovenstaande vergelijking,

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

Wanneer de spanning V1 groter is dan nul, zal het uitvoersignaal hoog zijn. In deze toestand,

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

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

Wanneer bovenstaande voorwaarde wordt voldaan, zal het uitvoersignaal hoog zijn. Daarom geeft deze vergelijking de waarde van de bovengrensspanning (VUT).

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

Stel nu dat de uitvoer van de Schmitt-trigger hoog is. En de spanning V is gelijk aan V2.

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

Uit de vergelijking voor de spanning V.

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

De uitvoer van de Schmitt-trigger wordt laag wanneer de spanning V2 kleiner is dan nul. In deze conditie,

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

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

De bovenstaande vergelijking geeft de waarde van de onderste drempelspanning (VLT).

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

Schmitt-trigger op basis van transistoren

Het Schmitt-trigger circuit kan worden ontworpen met behulp van twee transistoren. Het schema van het Schmitt-trigger op basis van transistoren wordt gegeven in het onderstaande circuit.

Vin = ingangsspanning
Vref = Referentiespanning = 5V

Laten we aannemen dat, aan het begin, de ingangsspanning Vin nul is. De ingangsspanning wordt gegeven aan de basis van transistor T1. Daarom, in deze situatie, werkt de transistor T1 in de afgesneden regio en blijft niet geleidend.

Va en Vb zijn knooppuntspanningen. De referentiespanning is 5V. Dus, kunnen we de waarden van Va en Vb berekenen met behulp van de spanningsdelerregel.

Spanningsniveau Vb wordt toegepast op de basis van transistor T2. Dit is 1,98V. Daarom geleidt transistor T2. Hierdoor is de uitvoer van de Schmitt-trigger laag. Het spanningsval op de emitter bedraagt ongeveer 0,7V. Dus, de spanning op de basis van de transistor is 1,28V.

De emitter van transistor T2 is verbonden met de emitter van transistor T1. Daarom werken beide transistors op hetzelfde niveau van 1,28V.

Dit betekent dat transistor T1 zal werken wanneer de ingangsspanning 0,7V boven 1,28V of meer dan 1,98V (1,28V + 0,7V) is.

Nu verhogen we de ingangsspanning boven 1,98V, en transistor T1 zal beginnen te geleiden. Dit veroorzaakt een spanningsval op de basis van transistor T2 en dit zal transistor T2 uitschakelen. Hierdoor is de uitvoer van de Schmitt-trigger hoog.

De ingangsspanning begint af te nemen. Transistor T1 zal uitschakelen wanneer de ingangsspanning 0,7V lager is dan 1,98V, en dit is 1,28V. In deze toestand krijgt transistor T2 voldoende spanning van de referentiespanning, en het zal aanslaan. Dit maakt de uitvoer van de Schmitt-trigger laag.

Dus, in deze toestand hebben we twee drempels, een lagere drempel op 1,28V en een hogere drempel op 1,98V.

Schmitt Trigger Oscillator

De Schmitt-trigger kan worden gebruikt als een oscil l ator door een enkele RC-integrale schakeling aan te sluiten. Het schema van de Schmitt-trigger oscillator is zoals getoond in de onderstaande figuur.

De uitvoer van het circuit is een continue vierkante golf. De frequentie van de golfform wordt bepaald door de waarden van R, C en het drempelpunt van de Schmitt Trigger.

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

Waarbij k een constante is die varieert tussen 0,2 en 1.

CMOS Schmitt Trigger

Een eenvoudig signaalomkeringscircuit geeft een tegengesteld uitgangssignaal ten opzichte van het ingangssignaal. Bijvoorbeeld, als het ingangssignaal hoog is, is het uitgangssignaal laag voor een eenvoudig omkeringscircuit. Maar als het ingangssignaal pieken (ruis) heeft, zal het uitgangssignaal reageren op deze pieken. Dat willen we niet. Daarom wordt de CMOS Schmitt trigger gebruikt.

Golfvorm van eenvoudig signaalomkeringscircuit

In de eerste golfvorm heeft het ingangssignaal geen ruis. Dus, de uitvoer is perfect. Maar in de tweede figuur heeft het ingangssignaal enige ruis. De uitvoer reageert ook op deze ruis. Om dit te voorkomen, wordt de CMOS Schmitt trigger gebruikt.

Het onderstaande schema toont de constructie van de CMOS Schmitt trigger. De CMOS Schmitt Trigger bestaat uit 6 transistoren, waaronder PMOS en NMOS transistoren.

Eerst moeten we weten, wat zijn PMOS en NMOS transistoren? De symbolen van PMOS en NMOS transistoren staan in de onderstaande figuur.

Een NMOS transistor geleidt wanneer VG groter is dan VS of VD. En een PMOS transistor geleidt wanneer VG kleiner is dan VS of VD. In de CMOS Schmitt trigger worden één PMOS en één NMOS transistor toegevoegd aan een eenvoudig omkeringscircuit.

In de eerste situatie is de ingangsspanning hoog. Onder deze omstandigheden is de PN transistor AAN en de NN transistor UIT. Dit creëert een pad naar de aarde voor knooppunt-A. Daarom zal de uitvoer van de CMOS Schmitt-trigger nul zijn.

In de tweede situatie is de ingangsspanning hoog. Onder deze omstandigheden is de NN transistor AAN en de PN transistor UIT. Dit zal een pad naar de spanning VDD (Hoog) voor knooppunt-B creëren. Daarom zal de uitvoer van de CMOS Schmitt-trigger hoog zijn.

Toepassingen van Schmitt-triggers

De toepassingen van Schmitt-triggers zijn als volgt.

Een Schmitt-trigger wordt gebruikt om een sinusgolf en driehoeksgolf om te zetten in blokgolven.
Het belangrijkste gebruik van Schmitt-triggers is het verwijderen van ruis in digitale schakelingen.
Het wordt ook gebruikt als functiegenerator.
Het wordt gebruikt om een oscillator te implementeren.
Schmitt-triggers in combinatie met een RC-schakeling wordt gebruikt voor schakeldebouncing.

Bron: Electrical4u.

Verklaring: Respecteer het oorspronkelijke, goede artikelen zijn de moede gedeeld, indien er een inbreuk is neem contact op voor verwijdering.

Geef een fooi en moedig de auteur aan

Onderwerpen:

Schakeltheorie

Schmitt-triggers

Over experts

Electrical4u

China

Expertisegebied

Basic Electrical

Professioneel artikel

607