Schmitt Trigger: Šta je to i kako funkcioniše?

Polje: Osnovna elektronika

China

Šta je Schmitt Trigger?

Schmitt Trigger je komparator sa histeresom implementiranim primenom pozitivne povratne veze na neinverzni ulaz komparatora ili diferencijalnog pojačavača. Schmitt Trigger koristi dve različite pragove napona kako bi se izbegao šum u ulaznom signalu. Ova akcija sa dvostrukim pragom poznata je kao histeresa.

Schmitt Trigger je izmislio američki naučnik Otto H Schmitt 1934. godine.

Normalni komparator sadrži samo jedan prag signala. I on poredi prag signala sa ulaznim signalom. Međutim, ako ulazni signal ima šum, to može uticati na izlazni signal. a schmitt trigger.png

Na gornjoj slici, zbog šuma na mestima A i B, ulazni signal (V1) prelazi nivo referentnog signala (V2). Tijekom ovog perioda, V1 je manji od V2 i izlaz je nizak.

Stoga, izlaz komparatora utiče šum u ulaznom signalu. Komparator nije zaštićen od šuma.

Riječ “trigger” u nazivu “Schmitt Trigger” potječe činjenice da izlaz zadržava svoju vrijednost dok ulaz dovoljno ne varira kako bi “aktivirao” promjenu.

Kako radi Schmitt Trigger?

Schmitt trigger daje pravilne rezultate čak i kada je ulazni signal bujan. Koristi dva pragova napona; jedan je gornji prag naponskog (VUT) a drugi je donji prag naponskog (VLT).

Izlaz Schmitt triggera ostaje nizak dok ulazni signal ne pređe VUT. Kada ulazni signal pređe ovaj limit VUT, izlazni signal Schmitt triggera ostaje visok dok ulazni signal nije ispod nivoa VLT.

Hajde da razumemo rad Schmitt triggera na primjeru. Pretpostavljamo da je početni ulaz nula.

Efekat šuma sa Schmittovim prekidnikom

Pretpostavili smo da je početni ulazni signal nula i povećava se postepeno kako je prikazano na gornjoj slici.

Izlazni signal Schmittovog prekidnika ostaje niski do tačke A. U tački A, ulazni signal prelazi iznad nivoa gornje granice (VUT) i stvara visoki izlazni signal.

Izlazni signal ostaje visok do tačke B. U tački B, ulazni signal prelazi ispod donje granice. Ovo čini da izlazni signal bude niski.

A ponovo, u tački C, kada ulazni signal prelazi iznad gornje granice, izlaz je visok.

U ovim uslovima možemo videti da je ulazni signal bujan. Ali buka ne utiče na izlazni signal.

Schmittov prekidnički krug

Schmittov prekidnički krug koristi pozitivnu povratnu vezu. Zbog toga, ovaj krug je takođe poznat kao regenerativni komparatorski krug. Schmittov prekidnički krug može biti dizajniran uz pomoć Operacionog pojačača i Transistora. I on je klasifikovan kao;

Schmittov prekidnik baziran na operacionom pojačaču
Schmittov prekidnik baziran na tranzistoru

Schmittov prekidnik baziran na operacionom pojačaču

Schmittov prekidnički krug može biti dizajniran pomoću operacionog pojačača na dva načina. Ako je ulazni signal spojen na inverznu tačku operacionog pojačača, onda se naziva Inverzni Schmittov prekidnik. A ako je ulazni signal spojen na neinverznu tačku operacionog pojačača, onda se naziva Neinverzni Schmittov prekidnik.

Inverzni Schmittov prekidnik

U ovom tipu Schmitt triggera, ulaz se daje na inverzni terminal operacionog pojačavača. Pozitivna povratna veza ide od izlaza ka ulazu.

Sada, razumijemo kako radi ova šema. U tački A, napona je V i primljeni napon (ulazni napon) je Vin. Ako je primljeni napon Vin veći od V, izlaz šeme će biti nizak. A ako je primljeni napon Vin manji od V, izlaz šeme će biti visok.

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

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

Sada, izračunajmo jednačinu za V.

Primjenjujući Kirchhoffov zakon struje (KCL),

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

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

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

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

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

Sada, pretpostavimo da je izlaz Schmittovog triggera visok. U ovom stanju,

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

Dakle, iz gornje jednačine;

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

Kada je ulazni signal veći od V1, izlaz Šmitovog triggera postaje nizak. Stoga, V1 predstavlja gornju pragovu naponsku razinu (VUT).

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

Izlaz će ostati nizak dok ulazni signal nije manji od V. kada je izlaz Šmitovog triggera nizak, u ovom stanju,

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

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

Sada, izlaz ostaje visok dok je ulazni signal manji od V2. Stoga se V2 naziva donja pragova napon (VLT).

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

Nepreokrenuti Schmittov prekidac

U nepreokrenutom Schmittovom prekidaču, ulazni signal se primenjuje na neinverzni terminal operacionog pojačavača. Pozitivna povratna veza se primenjuje sa izlaza na ulaz. Inverzni terminal operacionog pojačavača je povezan sa zemljom. Sema sheme nepreokrenutog Schmittovog prekidača prikazana je na sledećoj slici.

U ovoj shemi, izlaz Schmittovog prekidača će biti visok kada je napona V veći od nule. A izlaz će biti nizak kada je napona V manji od nule.

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

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

Sada, pronađimo jednačinu za napon V. Za to, primenjujemo KCL na tom čvoru.

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

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

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

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

Sada, pretpostavimo da je izlazni napon Op-Amp nizak. Stoga, izlazni napon Schmitt triggera je VL. I napona V je jednak V1.

U ovom stanju,

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

Iz gornje jednačine,

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

Kada je napona V1 veći od nule, izlaz će biti visok. U ovom stanju,

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

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

Kada je ispunjen gorenavedeni uslov, izlaz će biti visok. Stoga, ova jednačina daje vrednost gornje granice napona (VUT).

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

Sada pretpostavimo da je izlaz Schmittovog okidača visok. I napon V je jednak V2.

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

Iz jednačine napona V.

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

Izlaz Schmitt trigera postaje niski kada je napon V2 manji od nule. U ovom stanju,

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

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

Gornja jednačina daje vrednost donje pragove napona (VLT).

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

Schmittov trigger zasnovan na tranzistorima

Schmittov trigger može biti dizajniran pomoću dva tranzistora. Shema Schmittovog triggera zasnovanog na tranzistorima je prikazana u sledećoj shemi.

Vin = ulazni napon
Vref = referentni napon = 5V

Pretpostavimo da je, na početku, ulazni napon Vin jednak nuli. Ulazni napon se podiže na bazu tranzistora T1. U ovom stanju, tranzistor T1 radi u regionu isključenja i ostaje nevodički.

Va i Vb su naponi čvorova. Referentni napon je 5V. Možemo izračunati vrednosti Va i Vb primenom pravila deljenja napona.

Napon Vb se daje bazi tranzistora T2. I iznosi 1,98V. Stoga, tranzistor T2 provodi. I zbog toga, izlaz Schmittovog prekidača je niski. Pad na emiteru iznosi oko 0,7V. Dakle, napon na bazi tranzistora iznosi 1,28V.

Emiter tranzistora T2 spojen je s emiterom tranzistora T1. Stoga, oba tranzistora rade na istoj razini od 1,28V.

To znači da će tranzistor T1 raditi kada ulazni napon bude 0,7V više od 1,28V ili više od 1,98V (1,28V + 0,7V).

Sada, povećavamo ulazni napon više od 1,98V, i tranzistor T1 počinje sa provodljivošću. To uzrokuje pad napona na bazi tranzistora T2 i isključuje tranzistor T2. I zbog toga, izlaz Schmittovog prekidača je visok.

Ulazni napon počinje da opada. Tranzistor T1 isključuje kada ulazni napon bude 0,7V manji od 1,98V, a to je 1,28V. U ovim uslovima, tranzistor T2 dobija dovoljan napon od referentnog napona, i upaliće. To čini izlaz Schmittovog prekidača niskim.

Stoga, u ovim uslovima, imamo dve granice, nižu granicu na 1,28V i višu granicu na 1,98V.

Oscilator Schmittovog prekidača

Schmittov prekidač može se koristiti kao oscil l ator spajanjem jednog RC integriranog kruga. Shema oscilatora Schmittovog prekidača prikazana je na sledećoj slici.

Izlaz kruga je kontinualni kvadratni talas. Frekvencija talasa zavisi od vrednosti R, C i tačke praga Schmittovog prekidnika.

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

Gde je k konstanta i ona se kreće između 0.2 i 1.

CMOS Schmitt Trigger

Jednostavan krug inverzora signala daje suprotni izlazni signal u odnosu na ulazni signal. Na primer, ako je ulazni signal visok, izlazni signal je nizak za jednostavan inverzor. Međutim, ako ulazni signal ima šipke (šum), izlazni signal će reagovati na šipku. To ne želimo. Zato se koristi CMOS Schmittov prekidnik.

Talasna forma jednostavnog kruga inverzora signala

U prvom talasu, ulazni signal nema šuma. Stoga je izlaz savršen. Ali u drugoj figuri, ulazni signal ima neki šum. Izlaz takođe reaguje na ovaj šum. Da bi se izbegla ova situacija, koristi se CMOS Schmittov prekidnik.

Sledeći dijagram kruga pokazuje konstrukciju CMOS Schmittovog prekidnika. CMOS Schmittov prekidnik sastoji se od 6 tranzistora, uključujući PMOS i NMOS tranzistore.

Prvo treba da znamo, šta su PMOS i NMOS tranzistori? Simboli PMOS i NMOS tranzistora prikazani su u sledećoj figuri.

NMOS tranzistor provodi kada je VG veće od VS ili VD. PMOS tranzistor provodi kada je VG manje od VS ili VD. U CMOS Schmittovom prekidniku, jedan PMOS i jedan NMOS tranzistori su dodati u jednostavan krug inverzora.

У првом случају, улазни напон је висок. У овом стању, PN транзистор је укључен, а NN транзистор је искључен. То ствара пут ка маси за чвор А. Стога, излаз CMOS Шмитовог тригера ће бити нула.

У другом случају, улазни напон је висок. У овом стању, NN транзистор је укључен, а PN транзистор је искључен. То ће створити пут ка напону VDD (високом) за чвор Б. Стога, излаз CMOS Шмитовог тригера ће бити висок.

Апликације Шмитових тригера

Апликације Шмитовог тригера су следеће.

Шмитов тригер се користи за претварање синусног и троугластог таласа у квадратне таласе.
Најважнија употреба Шмитових тригера је уклањање шума у дигиталним колима.
Користи се и као генератор функција.
Користи се за имплементацију осцилатора.
Шмитови тригери са RC колом се користе за отпремање прекидача.

Извор: Electrical4u.

Изјава: Поштовати оригинал, добри чланци заслужују дељење, у случају кршења молимо контактирајте за брисање.

Dajte nagradu i ohrabrite autora

Teme:

Teorija strujnih krugova

Шмитов превођач

О експертима

Electrical4u

China