Schmitt Trigger: Hva er det og hvordan fungerer det?

Felt: Grunnleggende elektrisitet

China

Hva er en Schmitt Trigger?

En Schmitt Trigger er et sammenligningskretssystem med hysteresis implementert ved å bruke positiv tilbakemelding til den ikke-inverterende inngangen av en sammenligner eller differensial forsterker. En Schmitt Trigger bruker to ulike terskel spenning nivåer for å unngå støy i inngangssignalet. Handlingen fra denne dobbelte terskel kalles hysteresis.

Schmitt Trigger ble oppfunnet av den amerikanske forskeren Otto H Schmitt i 1934.

Den vanlige sammenligner inneholder bare ett terskel-signal. Og den sammenligner terskel-signalet med inngangssignalet. Men, hvis inngangssignalet har støy, kan det påvirke utgangssignalet. a schmitt trigger.png

I figuren over krysser inngangssignalet (V1) nivået av referanse-signalet (V2) på grunn av støy ved punktene A og B. Under denne perioden er V1 mindre enn V2, og utgangen er lav.

Dermed blir utgangen av sammenligner påvirket av støy i inngangssignalet. Og sammenligner er ikke beskyttet mot støy.

"Trigger" i navnet "Schmitt Trigger" kommer fra at utgangen beholder sin verdi til inngangssignalet varierer nok til å "trigger" en endring.

Hvordan fungerer en Schmitt Trigger?

Schmitt Trigger gir riktige resultater selv om inngangssignalet er støyt. Den bruker to terskel spenninger; den ene er øvre terskel spenning (VUT) og den andre er nedre terskel spenning (VLT).

Utgangen av Schmitt Trigger forbli lav til inngangssignalet krysser VUT. Når inngangssignalet krysser denne grensen VUT, forbli utgangssignalet av Schmitt Trigger høyt til inngangssignalet er under nivået av VLT.

La oss forstå arbeidet til Schmitt Trigger med et eksempel. Her antar vi at den initielle inngangen er null.

Støyeffekt med Schmitt Trigger

Her har vi antatt at det opprinnelige inngangssignalet er null og øker gradvis som vist i figuren over.

Utgangssignalet fra Schmitt trigger forblir lavt til punkt A. I punkt A krysser inngangssignalet over nivået for den øvre terskelen (VUT) og gir et høyt utgangssignal.

Utgangssignalet forblir høyt til punkt B. I punkt B krysser inngangssignalet under den nedre terskelen. Dette gjør at utgangssignalet blir lavt.

Og igjen, i punkt C, når inngangssignalet krysser over den øvre terskelen, blir utgangen høy.

I denne situasjonen kan vi se at inngangssignalet er støyete. Men støyen påvirker ikke utgangssignalet.

Schmitt Trigger-sirkuit

Schmitt Trigger-sirkuitet bruker positiv tilbakemelding. Derfor kalles dette sirkuitet også regenerativ komparator-sirkuit. Schmitt Trigger-sirkuitet kan designes med hjelp av Op-Amp og Transistor. Og det klassifiseres som;

Op-amp-basert Schmitt trigger
Transistorbasert Schmitt trigger

Op-amp-basert Schmitt trigger

Schmitt Trigger-sirkuitet kan designes ved hjelp av Op-Amp på to måter. Hvis inngangssignalet er koblet til inverteringspunktet til Op-Amp, kalles det Inverterende Schmitt Trigger. Og hvis inngangssignalet er koblet til ikke-inverteringspunktet til Op-Amp, kalles det Ikke-inverterende Schmitt Trigger.

Inverterende Schmitt Trigger

I denne typen Schmitt-trigger blir inngangen gitt ved den inverterende terminalen av forsterkeren. Og det positive tilbakemeldingssignalet fra utgangen til inngangen.

La oss nå forstå hvordan denne kretsen fungerer. På punkt A er spenningen V, og den påførte spenningen (inngangsspenning) er Vin. Hvis den påførte spenningen Vin er større enn V, vil utgangen av kretsen være lav. Og hvis den påførte spenningen Vin er mindre enn V, vil utgangen av kretsen være høy.

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

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

Nå, beregn ligningen for V.

Ved å bruke Kirchhoffs strømlag (KCL),

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

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

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

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

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

Nå, la oss anta at utgangen fra Schmitt-triggeren er høy. I denne situasjonen,

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

Så, fra den ovennevnte ligningen;

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

Når innsignal er større enn V1, blir utgangen av Schmitt-triggeret lav. Dermed er V1 en øvre terskelspenning (VUT).

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

Utgangen vil forbli lav inntil innsignalet er mindre enn V. Når utgangen av Schmitt-triggeret er lav, i denne situasjonen,

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

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

Nå forblir utgangen høy så lenge inngangssignalet er mindre enn V2. Derfor kalles V2 for nedre terskelspenn (VLT).

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

Ikke-inverterende Schmitt-trigger

I en ikke-inverterende Schmitt-trigger blir inngangssignalet brukt på den ikke-inverterende terminalen av forsterkeren. Positiv tilbakemelding sendes fra utgangen til inngangen. Den inverterende terminalen av forsterkeren er koblet til jordterminalen. Kretsskjemaet for en ikke-inverterende Schmitt-trigger vises i figuren nedenfor.

I denne kretsen vil utgangen av Schmitt-triggeren være høy når spenningen V er større enn null. Utgangen vil være lav når spenningen V er mindre enn null.

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

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

La oss nå finne ligningen for spenningen V. For det, anvender vi KCL ved den noden.

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

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

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

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

Nå, anta at utgangen fra Op-Amp er lav. Dermed er utgangsspenningen til Schmitt-triggeren VL. Og spenningen V er lik V1.

I denne situasjonen,

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

Fra den ovennevnte ligningen,

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

Når spenningen V1 er større enn null, blir utgangen høy. Under disse forholdene,

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

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

Når ovennevnte betingelse er oppfylt, blir utgangen høy. Dermed gir denne ligningen verdien av den øvre terskelspenningen (VUT).

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

Anta nå at utgangen fra Schmitt-triggeren er høy. Og spenningen V er lik V2.

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

Fra spenningslikningen V.

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

Utgangen til Schmitt-trinnet blir lav når spenningen V2 er mindre enn null. I denne situasjonen,

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

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

Den ovennevnte ligningen gir verdien av den nedre terskelspanningen (VLT).

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

Transistorbaseret Schmitt Trigger

Schmitt-triggerkretsen kan designes med hjelp av to transistorer. Kretsdiagrammet for den transistorbaserede Schmitt-triggeren er gitt i kretsen nedenfor.

Vin = inngangsspenning
Vref = Referansevoltage = 5V

La oss anta at, ved start, inngangsspenningen Vin er null. Inngangsspenningen blir gitt til basen av transistor T1. Dermed opererer transistor T1 i avklippingsområdet og den forbli ikkeledende.

Va og Vb er knutepunktspenninger. Referansevoltage er gitt som 5V. Så, vi kan beregne verdien av Va og Vb ved hjelp av spenningsdelerregelen.

Spenn Vb gis til grunnleggeren av transistor T2. Og det er 1,98V. Derfor er transistor T2 i gjennomføringsmodus. På grunn av dette er utgangen fra Schmitt-trigger lav. Fallet på emittoren er omtrent 0,7V. Så spenningen på grunnleggeren til transistoren er 1,28V.

Emittoren til transistor T2 er koblet til emittoren til transistor T1. Dermed opererer begge transistorer på samme nivå på 1,28V.

Dette betyr at transistor T1 vil operere når inngangsspenningen er 0,7V over 1,28V eller mer enn 1,98V (1,28V + 0,7V).

Nå øker vi inngangsspenningen mer enn 1,98V, og transistor T1 vil starte å føre. Dette forårsaker en spenningsnedgang på grunnleggeren til transistor T2, og den vil skru av transistor T2. På grunn av dette er utgangen fra Schmitt-trigger høy.

Inngangsspenningen starter med å synke. Transistor T1 vil skrus av når inngangsspenningen er 0,7V under 1,98V, og det er 1,28V. I denne situasjonen får transistor T2 tilstrekkelig spenning fra referansespenningskilden, og den vil slås på. Dette gjør utgangen fra Schmitt-trigger lav.

Derfor har vi i denne situasjonen to terskelverdier, en lav terskel på 1,28V og en høy terskel på 1,98V.

Schmitt Trigger Oscillator

Schmitt-trigger kan brukes som en osci ll ator ved å koble en enkelt RC-integrasjonskrets. Kretsskjemaet for Schmitt-trigger osillasjonen er vist i figuren nedenfor.

Kretsets utgang er en kontinuerlig kvadratbølge. Bølgens frekvens avhenger av verdien til R, C og terskelverdien for Schmitt Trigger.

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

Der k er en konstant, og den ligger mellom 0,2 og 1.

CMOS Schmitt Trigger

En enkel signalinverteringskrets gir motsatt utgangssignal fra inngangssignalet. Hvis inngangssignalet for eksempel er høyt, vil utgangssignalet være lavt for en enkel inverteringskrets. Men hvis inngangssignalet har støy (spikes), vil utgangssignalet reagere på disse spikes. Dette ønsker vi ikke. Derfor brukes CMOS Schmitt trigger.

Bølgeform for enkel signalinverteringskrets

I den første bølgeformen har inngangssignalet ingen støy. Så utgangen er perfekt. Men i den andre figuren har inngangssignalet noen støy. Utgangen reagerer også på denne støyen. For å unngå dette, brukes CMOS Schmitt trigger.

Nedenstående kretsskjema viser oppbyggingen av CMOS Schmitt trigger. CMOS Schmitt Trigger består av 6 transistorer, inkludert PMOS og NMOS transistorer.

Først må vi vite, hva er PMOS og NMOS transistor? Symbolene for PMOS og NMOS transistorer er vist i nedenstående figur.

NMOS transistor leder når VG er større enn VS eller VD. Og PMOS transistor leder når VG er mindre enn VS eller VD. I CMOS Schmitt trigger legges en PMOS og en NMOS transistor til i en enkel inverteringskrets.

I det første tilfellet er inngangsspenningen høy. Under disse forholdene er PN-transistoren PÅ og NN-transistoren AV. Det opprettes en vei til jord for node-A. Derfor vil utgangen fra CMOS Schmitt-trigger være null.

I det andre tilfellet er inngangsspenningen lav. Under disse forholdene er NN-transistoren PÅ og PN-transistoren AV. Det opprettes en vei til spenningen VDD (høy) for node-B. Derfor vil utgangen fra CMOS Schmitt-trigger være høy.

Schmitt Trigger Applikasjoner

Applikasjonene for Schmitt-trigger er som følger.

Schmitt-trigger brukes for å konvertere sinus- og trekantbølger til firkantbølger.
Den viktigste bruken av Schmitt-triggers er å fjerne støy i digitale kretser.
Den brukes også som funksjonsgenerator.
Den benyttes til å implementere en oscillator.
Schmitt-triggers med RC-kretsen brukes for skruddemping.

Kilde: Electrical4u.

Erklæring: Respekt for originaliteten, godt artikkel verdt å dele, ved krænking kontakt for sletting.

Gi en tips og oppmuntre forfatteren

Emner:

Kretsteori

Schmitt-trinn

Om eksperter

Electrical4u

China