Schmitt-triggare: Vad är det och hur fungerar det?

Fält: Grundläggande elteknik

China

Vad är en Schmitt-triggare?

En Schmitt-triggare är en jämfårelsekrets med hysteres som implementeras genom att tillämpa positiv återkoppling på den ickeinverterande ingången av en jämförare eller en differentiell förstärkare. En Schmitt-triggare använder två olika tröskelvärden för spänning för att undvika brus i indata-signalen. Verkan av dessa två tröskelvärden kallas hysteres.

Schmitt-triggaren uppfinnades av den amerikanske forskaren Otto H Schmitt år 1934.

En vanlig jämförare innehåller endast ett tröskelvärde. Och den jämför detta tröskelvärde med indatasignalen. Men om indatasignalen har brus kan det påverka utdatasignalen. a schmitt trigger.png

I figuren ovan korsar indatasignalen (V1) nivån för referenssignalen (V2) på grund av bruset vid punkterna A och B. Under denna period är V1 lägre än V2 och utgången är låg.

Därför påverkas utgången av jämföraren av bruset i indatasignalen. Och jämföraren skyddas inte från bruset.

Ordet "triggare" i "Schmitt-triggare" kommer från det faktum att utgången behåller sitt värde tills indatan varierar tillräckligt för att "utlösa" en ändring.

Hur fungerar en Schmitt-triggare?

En Schmitt-triggare ger korrekta resultat även om indatasignalen är brusig. Den använder två tröskelspännningar; en är den övre tröskelspännningen (VUT) och den andra är den nedre tröskelspännningen (VLT).

Utgången från en Schmitt-triggare hålls låg tills indatasignalen korsar VUT. När indatasignalen korsar detta gränsvärde VUT, hålls utgångssignalen från Schmitt-triggaren hög tills indatasignalen är under nivån för VLT.

Låt oss förstå hur en Schmitt-triggare fungerar med ett exempel. Här antar vi att den initiala indatan är noll.

Bruitseffekt med Schmitt Trigger

Här har vi antagit att det inledande ingångssignalen är noll och den ökar gradvis som visas i figuren ovan.

Utmatningsignalen från Schmitt-triggaren förblir låg tills punkt A. I punkt A korsar ingångssignalen nivån för övre tröskeln (VUT) och det ger en hög utmatningsignal.

Utmatningsignalen förblir hög tills punkt B. I punkt B korsar ingångssignalen under den nedre tröskeln. Och detta gör utmatningsignalen låg.

Och igen, i punkt C, när ingångssignalen korsar över den övre tröskeln, blir utmatningen hög.

I denna situation kan vi se att ingångssignalen är brusig. Men bruset påverkar inte utmatningsignalen.

Schmitt Triggarkrets

Schmitt-triggarkretsen använder positiv återkoppling. Därför kallas denna krets också för regenerativ jämförarkrets. Schmitt Triggarkretsen kan designas med hjälp av Op-Amp och Transistor. Och den klassificeras som:

Op-amp-baserad Schmitt-triggare
Transistorbaserad Schmitt-triggare

Op-amp-baserad Schmitt-triggare

Schmitt-triggarkretsen kan designas med Op-Amp på två sätt. Om ingångssignalen är ansluten till inverteringspunkten av Op-Amp, kallas det Inverterande Schmitt-triggare. Och om ingångssignalen är ansluten till icke-inverteringspunkten av Op-Amp, kallas det Icke-inverterande Schmitt-triggare.

Inverterande Schmitt-triggare

I detta typ av Schmitt-trigg ger man inmatningen vid inverterande terminalen på förstärkaren. Och det positiva återkopplingssignalen från utgången till ingången.

Låt oss nu förstå hur denna krets fungerar. Vid punkt A är spänningen V och den tillämpade spänningen (inmatningsspänning) är Vin. Om den tillämpade spänningen Vin är större än V, kommer utgången av kretsen att vara låg. Och om den tillämpade spänningen Vin är mindre än V, kommer utgången av kretsen att vara hög.

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

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

Beräkna nu ekvationen för V.

Genom att tillämpa Kirchhoffs strömlag (KCL),

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

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

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

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

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

Nu antar att utgången från Schmitt-triggaren är hög. I detta tillstånd

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

Så, utifrån ovanstående ekvation

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

När inmatningsignalen är större än V1 blir utgången från Schmitt-triggaren låg. Därför är V1 en övre tröskelspänning (VUT).

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

Utmatningen kommer att förbli låg tills inmatningsignalen är mindre än V. När utmatningen från Schmitt-triggaren är låg, i detta tillstånd,

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

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

Nu förblir utgången hög tills ingångssignalen är mindre än V2. Därför kallas V2 för den nedre tröskelspänningen (VLT).

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

Non-inverterande Schmitt-triggare

I en non-inverterande Schmitt-triggare appliceras ingångssignalen vid icke-inverterande terminalen av OP-förstärkaren. Positiv återkoppling appliceras från utgång till ingång. Inverterande terminalen av OP-förstärkaren är ansluten till jordterminalen. Kretsdiagrammet för den non-inverterande Schmitt-triggaren visas i figuren nedan.

I denna krets kommer utgången från Schmitt-triggaren att vara hög när spänningen V är större än noll. Och utgången blir låg när spänningen V är mindre än noll.

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

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

Nu ska vi hitta ekvationen för spänningen V. För det tillämpar vi KCL vid den noden.

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

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

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

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

Nu antar att utgången från Op-Amp är låg. Därför är utgångsspanningen för Schmitt-triggen VL. Och spänningen V är lika med V1.

I detta tillstånd,

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

Från ovanstående ekvation,

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

När spänningen V1 är större än noll, kommer utgången att vara hög. I detta tillstånd,

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

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

När ovanstående villkor uppfylls, kommer utgången att vara hög. Därför ger denna ekvation värdet för den övre tröskelspänningen (VUT).

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

Antag nu att utgången från Schmitt-triggen är hög. Och spänningen V är lika med V2.

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

Från ekvationen för spänningen V.

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

Schmitt-triggarens utgång blir låg när spänningen V2 är mindre än noll. I detta tillstånd,

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

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

Ovanstående ekvation ger värdet för den nedre tröskelvolten (VLT).

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

Transistorbaserad Schmitttriggare

Schmitttriggarkretsen kan designas med hjälp av två transistorer. Kretsdiagrammet för den transistorbaserade Schmitttriggaren visas i nedanstående krets.

Vin = ingångsspänning
Vref = referensspänning = 5V

Låt oss anta att, vid start, ingångsspänningen Vin är noll. Ingångsspänningen ges till basen av transistor T1. I detta tillstånd opererar transistor T1 i avklippningsområdet och den förblir ickeledande.

Va och Vb är nodspänningar. Referensspänningen är 5V. Så, vi kan beräkna värdet av Va och Vb genom spänningsdelares regel.

Spänningsnivån Vb ges till basen av transistor T2. Och den är 1,98V. Därför leder transistor T2 ström. Pga detta är utgången från Schmitt-triggern låg. Spanningen över emittören är omkring 0,7V. Så spänningen vid basen för transistorn är 1,28V.

Emittören av transistor T2 är ansluten till emittören av transistor T1. Därför fungerar båda transistorer på samma nivå vid 1,28V.

Det betyder att transistor T1 kommer att fungera när ingångsspänningen är 0,7V över 1,28V eller mer än 1,98V (1,28V + 0,7V).

Nu ökar vi ingångsspänningen mer än 1,98V, och transistor T1 börjar leda ström. Detta orsakar en spänningsfall vid basen av transistor T2 och den sker av transistor T2. Pga detta är utgången från Schmitt-triggern hög.

Ingångsspänningen börjar minska. Transistor T1 sker när ingångsspänningen är 0,7V lägre än 1,98V och det är 1,28V. I detta tillstånd får transistor T2 tillräcklig spänning från referensspänningen, och den slår på. Det gör utgången från Schmitt-triggern låg.

Således har vi i detta tillstånd två trösklar, en lägre tröskel vid 1,28V och en högre tröskel vid 1,98V.

Schmitt-triggers oscillator

Schmitt-triggern kan användas som en oscil l ator genom att ansluta en enkel RC-integrerad krets. Kretsschemat för Schmitt-triggers oscillator visas i figuren nedan.

Kretsens utdata är en kontinuerlig kvadratisk våg. Vågformens frekvens beror på värdet för R, C och tröskelvärdet för Schmitt-triggaren.

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

Där k är en konstant och ligger mellan 0.2 och 1.

CMOS Schmitt-triggar

En enkel signalinverteringskrets ger motsatt utdata från indatasignalen. Till exempel, om indatasignalen är hög, så är utdatasignalen låg för en enkel inverteringskrets. Men om indatasignalen har störningar (brus), kommer utdatasignalen att reagera på dessa störningar. Det vill vi inte ha. Därför används CMOS Schmitt-triggar.

Vågform av enkel signalinverteringskrets

I den första vågformen saknar indatasignalen brus. Så utdata är perfekt. Men i det andra figuren har indatasignalen något brus. Utdata reagerar också på detta brus. För att undvika detta används CMOS Schmitt-triggar.

Nedanstående kretsschema visar uppbyggnaden av en CMOS Schmitt-triggar. CMOS Schmitt-triggen består av 6 transistorer inklusive PMOS och NMOS-transistorer.

Först behöver vi veta vad PMOS och NMOS-transistorer är. Symbolerna för PMOS och NMOS-transistorer visas i nedanstående figur.

NMOS-transistor leder när VG är större än VS eller VD. Och PMOS-transistor leder när VG är mindre än VS eller VD. I CMOS Schmitt-triggar läggs en PMOS och en NMOS-transistor till i en enkel inverteringskrets.

I det första fallet är ingångsspanningen hög. I detta tillstånd är PN-transistorn på och NN-transistorn av. Det skapar en väg till mark för nod-A. Därför kommer utgången från CMOS Schmitt-triggaren att vara noll.

I det andra fallet är ingångsspanningen låg. I detta tillstånd är NN-transistorn på och PN-transistorn av. Det skapar en väg till spänningen VDD (hög) för nod-B. Därför kommer utgången från CMOS Schmitt-triggaren att vara hög.

Användningsområden för Schmitt-triggare

Användningsområdena för Schmitt-triggare är följande.

Schmitt-triggare används för att omvandla sinusformade och triangulära vågor till kvadratiska vågor.
Det viktigaste användningsområdet för Schmitt-triggare är att eliminera brus i digitala kretsar.
De används också som funktionsgeneratorer.
De används för att implementera oscillatorer.
Schmitt-triggare tillsammans med en RC-krets används för debouncing av knappar.

Källa: Electrical4u.

Uttryck: Respektera det ursprungliga, bra artiklar är värda att delas, vid upphovsrättsoverträdelse kontakta för borttagning.

Ge en tips och uppmuntra författaren

Ämnen:

Kretsteori

Schmitt-triggare

Om experter

Electrical4u

China