ทริกเกอร์ชมิท: คืออะไรและทำงานอย่างไร

ฟิลด์: ไฟฟ้าพื้นฐาน

China

อะไรคือ Schmitt Trigger?

Schmitt Trigger คือวงจรเปรียบเทียบที่มีความจำเป็นในการใช้การตอบสนองแบบสองทิศทางโดยการใช้การป้อนกลับเชิงบวกไปยังอินพุตไม่ผกผันของวงจรเปรียบเทียบหรือวงจรแอมปลิฟายเออร์แอมปลิฟายเออร์ Schmitt Trigger ใช้ระดับแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์สองระดับเพื่อหลีกเลี่ยงสัญญาณรบกวนในสัญญาณอินพุต การทำงานจากเกณฑ์สองระดับนี้เรียกว่า hysteresis

Schmitt Trigger ถูกคิดค้นขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน Otto H Schmitt ในปี 1934

วงจรเปรียบเทียบปกติมีเพียงสัญญาณเกณฑ์เดียว และจะเปรียบเทียบสัญญาณเกณฑ์กับสัญญาณอินพุต แต่หากสัญญาณอินพุตมีสัญญาณรบกวน มันอาจส่งผลต่อสัญญาณเอาต์พุตได้ a schmitt trigger.png

ในภาพด้านบน เนื่องจากสัญญาณรบกวนที่ตำแหน่ง A และ B สัญญาณอินพุต (V1) ข้ามระดับของสัญญาณอ้างอิง (V2) ระหว่างช่วงเวลานี้ V1 น้อยกว่า V2 และสัญญาณเอาต์พุตต่ำ

ดังนั้น สัญญาณเอาต์พุตของวงจรเปรียบเทียบถูกส่งผลโดยสัญญาณรบกวนในสัญญาณอินพุต และวงจรเปรียบเทียบไม่ได้รับการป้องกันจากสัญญาณรบกวน

คำว่า "trigger" ในชื่อ "Schmitt Trigger" มาจากความจริงที่ว่าสัญญาณเอาต์พุตจะคงที่จนกว่าสัญญาณอินพุตจะเปลี่ยนแปลงเพียงพอที่จะ "กระตุ้น" การเปลี่ยนแปลง

การทำงานของ Schmitt Trigger คืออย่างไร?

Schmitt trigger ให้ผลลัพธ์ที่เหมาะสมแม้ว่าสัญญาณอินพุตจะมีสัญญาณรบกวน มันใช้แรงดันไฟฟ้าเกณฑ์สองระดับ หนึ่งคือแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์บน (VUT) และอีกหนึ่งคือแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ล่าง (VLT)

สัญญาณเอาต์พุตของ Schmitt trigger จะคงที่ต่ำจนกว่าสัญญาณอินพุตจะข้าม VUT ครั้งหนึ่งสัญญาณอินพุตข้ามขีดจำกัดนี้ VUT สัญญาณเอาต์พุตของ Schmitt trigger จะคงที่สูงจนกว่าสัญญาณอินพุตจะต่ำกว่าระดับของ VLT

ลองทำความเข้าใจการทำงานของ Schmitt trigger ด้วยตัวอย่าง ที่นี่เราสมมติว่าสัญญาณอินพุตเริ่มต้นเป็นศูนย์

ผลของสัญญาณรบกวนด้วย Schmitt Trigger

ที่นี่ เราได้ถือว่าสัญญาณขาเข้าเริ่มต้นเป็นศูนย์ และเพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไปตามที่แสดงในภาพด้านบน

สัญญาณขาออกของ Schmitt trigger ยังคงต่ำจนกระทั่งจุด A ที่จุด A สัญญาณขาเข้าข้ามระดับของความหนาแน่นสูง (VUT) และทำให้สัญญาณขาออกเป็นสูง

สัญญาณขาออกยังคงสูงจนกระทั่งจุด B ที่จุด B สัญญาณขาเข้าข้ามระดับต่ำลง และทำให้สัญญาณขาออกต่ำ

และอีกครั้งที่จุด C เมื่อสัญญาณขาเข้าข้ามระดับความหนาแน่นสูง สัญญาณขาออกเป็นสูง

ในกรณีนี้ เราสามารถเห็นว่าสัญญาณขาเข้ามีเสียงรบกวน แต่เสียงรบกวนไม่มีผลกระทบต่อสัญญาณขาออก

วงจร Schmitt Trigger

วงจร Schmitt trigger ใช้ป้อนกลับเชิงบวก ดังนั้นวงจรนี้จึงเรียกว่าวงจรเปรียบเทียบที่สร้างใหม่ วงจร Schmitt Trigger สามารถออกแบบได้โดยใช้ โอเพอร์แอมป์ และ ทรานซิสเตอร์ และแบ่งออกเป็น;

วงจร Schmitt trigger ที่ใช้โอเพอร์แอมป์
วงจร Schmitt trigger ที่ใช้ทรานซิสเตอร์

วงจร Schmitt Trigger ที่ใช้โอเพอร์แอมป์

วงจร Schmitt trigger สามารถออกแบบได้โดยใช้โอเพอร์แอมป์ในสองวิธี ถ้าสัญญาณขาเข้าเชื่อมต่อที่จุดผกผันของโอเพอร์แอมป์ จะเรียกว่าวงจร Schmitt Trigger แบบผกผัน และถ้าสัญญาณขาเข้าเชื่อมต่อที่จุดไม่ผกผันของโอเพอร์แอมป์ จะเรียกว่าวงจร Schmitt Trigger แบบไม่ผกผัน

วงจร Schmitt Trigger แบบผกผัน

ในทริกเกอร์ชมิตประเภทนี้ แรงดันขาเข้าถูกให้ที่เทอร์มินัลกลับของอุปกรณ์ขยายความต้านทาน (op-amp) และการป้อนกลับบวกจากขาออกสู่ขาเข้า

ตอนนี้ ลองทำความเข้าใจว่าวงจรนี้ทำงานอย่างไร ที่จุด A แรงดันคือ V และแรงดันที่นำไปใช้ (แรงดันขาเข้า) คือ Vin หากแรงดันที่นำไปใช้ Vin มากกว่า V แรงดันขาออกของวงจรจะต่ำ และหากแรงดันที่นำไปใช้ Vin น้อยกว่า V แรงดันขาออกของวงจรจะสูง

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

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

ตอนนี้ คำนวณสมการของ V

โดยใช้ กฎของเคิร์ชโฮฟสำหรับกระแสไฟฟ้า (KCL)

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

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

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

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

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

ขณะนี้ ให้เราสมมติว่าเอาต์พุตของ Schmitt trigger มีค่าสูง ในกรณีนี้

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

ดังนั้น จากสมการข้างต้น

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

เมื่อสัญญาณขาเข้ามากกว่า V1 ผลลัพธ์ของ Schmitt trigger จะกลายเป็นต่ำ ดังนั้น V1 เป็นแรงดันเกณฑ์บน (VUT)

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

ผลลัพธ์จะคงอยู่ที่ระดับต่ำจนกว่าสัญญาณขาเข้าจะน้อยกว่า V เมื่อผลลัพธ์ของ Schmitt trigger อยู่ที่ระดับต่ำ ในกรณีนี้

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

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

ขณะนี้ ผลลัพธ์ยังคงสูงจนกว่าสัญญาณขาเข้าจะน้อยกว่า V2 ดังนั้น V2 จึงเรียกว่าแรงดัน阚告，您提供的文本似乎在转换过程中出现了截断或编码错误。根据您的要求，我将继续翻译剩余部分。以下是完整的泰语翻译： ```html

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

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

ขณะนี้ ผลลัพธ์ยังคงสูงจนกว่าสัญญาณขาเข้าจะน้อยกว่า V₂ ดังนั้น V₂ จึงเรียกว่าแรงดันเกณฑ์ต่ำ (V_LT)

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

ทริกเกอร์ชมิทแบบไม่กลับเฟส

ในทริกเกอร์ชมิทแบบไม่กลับเฟส สัญญาณขาเข้าถูกนำไปยังเทอร์มินัลไม่กลับเฟสของแอมปลิฟายเออร์โอเปอเรชัน และป้อนกลับบวกจากขาออกไปยังขาเข้า เทอร์มินัลกลับเฟสของแอมปลิฟายเออร์โอเปอเรชันเชื่อมต่อกับเทอร์มินัลกราวน์ วงจรไดอะแกรมของทริกเกอร์ชมิทแบบไม่กลับเฟสแสดงดังรูปด้านล่าง

ในวงจรนี้ ผลลัพธ์ของทริกเกอร์ชมิทจะสูงเมื่อแรงดัน V มากกว่าศูนย์ และผลลัพธ์จะต่ำเมื่อแรงดัน V น้อยกว่าศูนย์

```

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

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

ตอนนี้ ลองหาสมการของแรงดันไฟฟ้า V สำหรับนั้น เราจะใช้ KCL ที่โหนดนั้น

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

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

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

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

ตอนนี้ ให้สมมติว่าเอาต์พุตของ Op-Amp ต่ำ ดังนั้น แรงดันเอาต์พุตของ Schmitt trigger คือ VL และแรงดัน V เท่ากับ V1.

ในกรณีนี้

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

จากสมการด้านบน

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

เมื่อแรงดันไฟฟ้า V1 มากกว่าศูนย์ อินพุตจะสูง ในกรณีนี้

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

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

เมื่อเงื่อนไขข้างต้นได้รับการตอบสนอง อินพุตจะสูง ดังนั้น สมการนี้ให้ค่าของแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำ (VUT)

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

ตอนนี้สมมติว่าเอาต์พุตของ Schmitt trigger สูง และแรงดันไฟฟ้า V เท่ากับ V2

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

จากสมการของแรงดันไฟฟ้า V

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

เอาต์พุตของ Schmitt trigger จะต่ำลงเมื่อแรงดันไฟฟ้า V2 น้อยกว่าศูนย์ ในกรณีนี้

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

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

สมการข้างต้นให้ค่าของแรงดันเกณฑ์ล่าง (VLT)

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

วงจรทริกเกอร์ชมิดที่ใช้ทรานซิสเตอร์

วงจรทริกเกอร์ชมิดสามารถออกแบบได้โดยใช้ทรานซิสเตอร์สองตัว แผนภาพวงจรของทริกเกอร์ชมิดที่ใช้ทรานซิสเตอร์แสดงอยู่ในวงจรด้านล่างนี้

Vin = แรงดันขาเข้า
Vref = แรงดันอ้างอิง = 5V

สมมติว่า ที่เริ่มต้น แรงดันขาเข้า Vin เป็นศูนย์ แรงดันขาเข้าถูกส่งไปยังฐานของทรานซิสเตอร์ T1 ดังนั้น ในสถานการณ์นี้ ทรานซิสเตอร์ T1 ทำงานในเขตตัดและไม่ทำการนำไฟฟ้า

Va และ Vb เป็นแรงดันโหนด แรงดันอ้างอิงถูกกำหนดเป็น 5V ดังนั้น เราสามารถคำนวณค่าของ Va และ Vb โดยใช้กฎการแบ่งแรงดัน

แรงดัน Vb ถูกให้กับฐานของทรานซิสเตอร์ T2 และมีค่า 1.98V ดังนั้น ทรานซิสเตอร์ T2 กำลังนำไฟฟ้า และเนื่องจากเหตุนี้ ผลลัพธ์ของ Schmitt trigger จึงต่ำ แรงดันตกที่อีเม็ตเตอร์ประมาณ 0.7V ดังนั้น แรงดันที่ฐานของทรานซิสเตอร์คือ 1.28V

อีเม็ตเตอร์ของทรานซิสเตอร์ T2 เชื่อมต่อกับอีเม็ตเตอร์ของทรานซิสเตอร์ T1 ดังนั้น ทั้งสองทรานซิสเตอร์ทำงานที่ระดับเดียวกันที่ 1.28V

หมายความว่า ทรานซิสเตอร์ T1 จะทำงานเมื่อแรงดันขาเข้าสูงกว่า 0.7V เหนือ 1.28V หรือมากกว่า 1.98V (1.28V + 0.7V)

ตอนนี้ เราเพิ่มแรงดันขาเข้าให้มากกว่า 1.98V และทรานซิสเตอร์ T1 จะเริ่มนำไฟฟ้า ทำให้แรงดันที่ฐานของทรานซิสเตอร์ T2 ลดลงและจะปิดการนำไฟฟ้าของทรานซิสเตอร์ T2 และเนื่องจากเหตุนี้ ผลลัพธ์ของ Schmitt trigger จึงสูง

แรงดันขาเข้าเริ่มลดลง ทรานซิสเตอร์ T1 จะปิดการนำไฟฟ้าเมื่อแรงดันขาเข้าต่ำกว่า 0.7V จาก 1.98V และเป็น 1.28V ในกรณีนี้ ทรานซิสเตอร์ T2 ได้รับแรงดันเพียงพอจากแรงดันอ้างอิง และจะเปิดการนำไฟฟ้า ทำให้ผลลัพธ์ของ Schmitt trigger ต่ำ

ดังนั้น ในกรณีนี้ เราจะมีสองขีดจำกัด คือขีดจำกัดต่ำที่ 1.28V และขีดจำกัดสูงที่ 1.98V

Oscillator แบบ Schmitt Trigger

Schmitt Trigger สามารถใช้เป็น oscil l ator โดยเชื่อมต่อวงจร RC เดียว วงจรของ Schmitt trigger oscillator แสดงในภาพด้านล่าง

เอาต์พุตของวงจรเป็นสัญญาณสี่เหลี่ยมคลื่นที่ต่อเนื่อง และความถี่ของคลื่นขึ้นอยู่กับค่าของ R, C และจุดเกณฑ์ของ Schmitt Trigger

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

เมื่อ k เป็นค่าคงที่และมีค่าระหว่าง 0.2 ถึง 1

CMOS Schmitt Trigger

วงจรกลับสัญญาณแบบง่ายจะให้สัญญาณเอาต์พุตตรงข้ามกับสัญญาณอินพุต ตัวอย่างเช่น หากสัญญาณอินพุตสูง สัญญาณเอาต์พุตจะต่ำสำหรับวงจรกลับสัญญาณแบบง่าย แต่หากสัญญาณอินพุตมีสัญญาณรบกวน (noise) สัญญาณเอาต์พุตจะตอบสนองต่อสัญญาณรบกวน ซึ่งไม่ใช่สิ่งที่เราต้องการ ดังนั้น CMOS Schmitt trigger จึงถูกนำมาใช้

ในคลื่นแรก สัญญาณอินพุตไม่มีสัญญาณรบกวน ดังนั้นสัญญาณเอาต์พุตจึงสมบูรณ์ แต่ในภาพที่สอง สัญญาณอินพุตมีสัญญาณรบกวนบางส่วน สัญญาณเอาต์พุตก็ตอบสนองต่อสัญญาณรบกวนนี้ เพื่อหลีกเลี่ยงสถานการณ์นี้ CMOS Schmitt trigger จึงถูกนำมาใช้

แผนผังวงจรด้านล่างแสดงการสร้าง CMOS Schmitt trigger CMOS Schmitt Trigger ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ 6 ตัว รวมถึง PMOS และ NMOS ทรานซิสเตอร์

ก่อนอื่น เราต้องรู้ว่า PMOS และ NMOS ทรานซิสเตอร์คืออะไร สัญลักษณ์ของ PMOS และ NMOS ทรานซิสเตอร์อยู่ในภาพด้านล่าง

NMOS ทรานซิสเตอร์ทำงานเมื่อ VG มากกว่า VS หรือ VD และ PMOS ทรานซิสเตอร์ทำงานเมื่อ VG น้อยกว่า VS หรือ VD ใน CMOS Schmitt trigger มี PMOS ทรานซิสเตอร์หนึ่งตัวและ NMOS ทรานซิสเตอร์หนึ่งตัวเพิ่มเข้าไปในวงจรกลับสัญญาณแบบง่าย

ในกรณีแรก แรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูง ในสถานการณ์นี้ ทรานซิสเตอร์ PN เปิด และทรานซิสเตอร์ NN ปิด และสร้างทางผ่านไปยังกราวด์สำหรับโหนด-A ดังนั้น ผลลัพธ์ของ CMOS Schmitt trigger จะเป็นศูนย์

ในกรณีที่สอง แรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูง ในสถานการณ์นี้ ทรานซิสเตอร์ NN เปิด และทรานซิสเตอร์ PN ปิด มันจะสร้างทางผ่านไปยังแรงดัน VDD (สูง) สำหรับโหนด-B ดังนั้น ผลลัพธ์ของ CMOS Schmitt trigger จะเป็นสูง