Chắn Schmitt: Điều gì là nó và cách hoạt động của nó?

Trường dữ liệu: Điện Cơ Bản

China

Schmitt Trigger là gì?

Mạch so sánh Schmitt Trigger là mạch so sánh có hysteresis được thực hiện bằng cách áp dụng phản hồi dương vào đầu vào không đảo của bộ so sánh hoặc bộ khuếch đại vi sai amplifier. Schmitt Trigger sử dụng hai ngưỡng điện áp khác nhau cho đầu vào để tránh nhiễu trong tín hiệu đầu vào. Hành động từ hai ngưỡng này được gọi là hysteresis.

Schmitt Trigger được phát minh bởi nhà khoa học người Mỹ Otto H Schmitt vào năm 1934.

Bộ so sánh thông thường chỉ chứa một tín hiệu ngưỡng. Và nó so sánh tín hiệu ngưỡng với tín hiệu đầu vào. Tuy nhiên, nếu tín hiệu đầu vào có nhiễu, nó có thể ảnh hưởng đến tín hiệu đầu ra. a schmitt trigger.png

Trong hình trên, do nhiễu ở vị trí A và B, tín hiệu đầu vào (V1) vượt qua mức của tín hiệu tham chiếu (V2). Trong thời gian này, V1 nhỏ hơn V2 và tín hiệu đầu ra thấp.

Do đó, tín hiệu đầu ra của bộ so sánh bị ảnh hưởng bởi nhiễu trong tín hiệu đầu vào. Và bộ so sánh không được bảo vệ khỏi nhiễu.

Từ "trigger" trong tên "Schmitt Trigger" xuất phát từ việc tín hiệu đầu ra giữ nguyên giá trị cho đến khi tín hiệu đầu vào thay đổi đủ để "kích hoạt" sự thay đổi.

Schmitt Trigger hoạt động như thế nào?

Schmitt trigger cung cấp kết quả chính xác ngay cả khi tín hiệu đầu vào có nhiễu. Nó sử dụng hai ngưỡng điện áp; một là ngưỡng điện áp trên (VUT) và thứ hai là ngưỡng điện áp dưới (VLT).

Tín hiệu đầu ra của Schmitt trigger giữ ở mức thấp cho đến khi tín hiệu đầu vào vượt qua VUT. Một khi tín hiệu đầu vào vượt qua giới hạn này VUT, tín hiệu đầu ra của Schmitt trigger sẽ giữ ở mức cao cho đến khi tín hiệu đầu vào dưới mức VLT.

Hãy hiểu cách hoạt động của Schmitt trigger thông qua một ví dụ. Chúng ta giả định rằng tín hiệu đầu vào ban đầu là không.

Hiệu ứng nhiễu với Schmitt Trigger

Ở đây, chúng ta đã giả định rằng tín hiệu đầu vào ban đầu là không và nó tăng dần như được hiển thị trong hình trên.

Tín hiệu đầu ra của Schmitt trigger vẫn ở mức thấp cho đến điểm A. Tại điểm A, tín hiệu đầu vào vượt qua mức ngưỡng trên (VUT) và tạo ra tín hiệu đầu ra cao.

Tín hiệu đầu ra vẫn ở mức cao cho đến điểm B. Tại điểm B, tín hiệu đầu vào giảm xuống dưới ngưỡng dưới. Điều này làm tín hiệu đầu ra trở thành thấp.

Và một lần nữa, tại điểm C, khi tín hiệu đầu vào vượt qua mức ngưỡng trên, tín hiệu đầu ra trở thành cao.

Trong điều kiện này, chúng ta có thể thấy rằng tín hiệu đầu vào bị nhiễu. Nhưng nhiễu không ảnh hưởng đến tín hiệu đầu ra.

Mạch Schmitt Trigger

Mạch Schmitt trigger sử dụng phản hồi dương. Do đó, mạch này còn được gọi là mạch so sánh tái sinh. Mạch Schmitt Trigger có thể được thiết kế với sự giúp đỡ của Op-Amp và Transistor. Và nó được phân loại thành;

Mạch Schmitt trigger dựa trên Op-amp
Mạch Schmitt trigger dựa trên Transistor

Mạch Schmitt Trigger dựa trên Op-Amp

Mạch Schmitt trigger có thể được thiết kế bằng cách sử dụng Op-Amp theo hai cách. Nếu tín hiệu đầu vào được kết nối tại điểm nghịch của Op-Amp, nó được gọi là Schmitt Trigger Nghịch. Và nếu tín hiệu đầu vào được kết nối tại điểm thuận của Op-Amp, nó được gọi là Schmitt Trigger Thuận.

Schmitt Trigger Nghịch

Trong loại mạch Schmitt trigger này, tín hiệu đầu vào được cấp cho đầu vào nghịch của op-amp. Và phản hồi dương từ đầu ra đến đầu vào.

Bây giờ, hãy hiểu cách mạch này hoạt động. Tại điểm A, điện áp là V và điện áp được áp dụng (điện áp đầu vào) là Vin. Nếu điện áp đầu vào Vin lớn hơn V, đầu ra của mạch sẽ thấp. Và nếu điện áp đầu vào Vin nhỏ hơn V, đầu ra của mạch sẽ cao.

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

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

Bây giờ, hãy tính phương trình của V.

Áp dụng Định luật dòng điện Kirchhoff (KCL),

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

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

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

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

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

Bây giờ, hãy giả sử rằng đầu ra của mạch Schmitt trigger đang ở mức cao. Trong điều kiện này,

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

Do đó từ phương trình trên;

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

Khi tín hiệu đầu vào lớn hơn V1, đầu ra của mạch Schmitt trigger sẽ trở thành thấp. Do đó, V1 là điện áp ngưỡng trên (VUT).

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

Đầu ra sẽ giữ ở mức thấp cho đến khi tín hiệu đầu vào nhỏ hơn V. Khi đầu ra của mạch Schmitt trigger ở mức thấp, trong điều kiện này,

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

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

Bây giờ, đầu ra vẫn ở mức cao cho đến khi tín hiệu đầu vào nhỏ hơn V2. Do đó, V2 được gọi là điện áp ngưỡng dưới (VLT).

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

Mạch Schmitt Trigger Không đảo cực

Trong mạch Schmitt Trigger không đảo cực, tín hiệu đầu vào được áp dụng tại đầu vào không đảo cực của Op-Amp. Và phản hồi dương được áp dụng từ đầu ra đến đầu vào. Đầu vào đảo cực của Op-Amp được kết nối với đầu nối đất. Sơ đồ mạch của mạch Schmitt Trigger không đảo cực được thể hiện như hình dưới đây.

Trong mạch này, đầu ra của mạch Schmitt Trigger sẽ ở mức cao khi điện áp V lớn hơn không. Và đầu ra sẽ ở mức thấp khi điện áp V nhỏ hơn không.

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

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

Bây giờ, hãy tìm phương trình của điện áp V. Để làm điều đó, chúng ta áp dụng KCL tại nút đó.

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

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

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

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

Bây giờ, giả sử rằng đầu ra của Op-Amp là thấp. Do đó, điện áp đầu ra của Schmitt trigger là VL. Và điện áp V bằng V1.

Trong điều kiện này,

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

Từ phương trình trên,

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

Khi điện áp V1 lớn hơn không, đầu ra sẽ cao. Trong điều kiện này,

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

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

Khi điều kiện trên được thỏa mãn, đầu ra sẽ cao. Do đó, phương trình này cho giá trị của điện áp ngưỡng trên (VUT).

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

Bây giờ giả sử rằng đầu ra của Schmitt trigger là cao. Và điện áp V bằng V2.

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

Từ phương trình điện áp V.

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

Điện áp đầu ra của mạch Schmitt trigger sẽ trở thành thấp khi điện áp V2 nhỏ hơn không. Trong điều kiện này,

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

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

Phương trình trên cho giá trị của điện áp ngưỡng dưới (VLT).

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

Mạch Schmitt Trigger dựa trên transistor

Mạch Schmitt trigger có thể được thiết kế với sự giúp đỡ của hai transistor. Sơ đồ mạch của mạch Schmitt trigger dựa trên transistor được cung cấp trong mạch bên dưới.

Vin = điện áp đầu vào
Vref = Điện áp tham chiếu = 5V

Giả sử rằng, lúc bắt đầu, điện áp đầu vào Vin là không. Điện áp đầu vào được đưa đến chân base của transistor T1. Do đó, trong điều kiện này, transistor T1 hoạt động ở vùng cắt và nó vẫn không dẫn.

Va và Vb là điện áp nút. Điện áp tham chiếu được cung cấp là 5V. Vì vậy, chúng ta có thể tính toán giá trị của Va và Vb bằng quy tắc chia điện áp.

Điện áp Vb được cung cấp cho cực base của transistor T2. Và nó là 1.98V. Do đó, transistor T2 đang dẫn điện. Và do điều này, đầu ra của Schmitt trigger ở mức thấp. Sự giảm tại cực phát khoảng 0.7V. Vì vậy, điện áp tại cực base của transistor là 1.28V.

Cực phát của transistor T2 được kết nối với cực phát của transistor T1. Do đó, cả hai transistor hoạt động ở cùng một mức 1.28V.

Điều này có nghĩa là transistor T1 sẽ hoạt động khi điện áp đầu vào cao hơn 0.7V so với 1.28V hoặc lớn hơn 1.98V (1.28V + 0.7V).

Bây giờ, chúng ta tăng điện áp đầu vào lên hơn 1.98V, và transistor T1 sẽ bắt đầu dẫn điện. Điều này gây ra sự giảm điện áp tại cực base của transistor T2 và nó sẽ cắt đứt transistor T2. Và do điều này, đầu ra của Schmitt trigger ở mức cao.

Điện áp đầu vào bắt đầu giảm. Transistor T1 sẽ bị cắt đứt khi điện áp đầu vào thấp hơn 0.7V so với 1.98V và nó là 1.28V. Trong điều kiện này, transistor T2 nhận đủ điện áp từ điện áp tham chiếu, và nó sẽ bật. Điều này làm cho đầu ra của Schmitt trigger ở mức thấp.

Do đó, trong điều kiện này, chúng ta có hai ngưỡng, ngưỡng thấp ở 1.28V và ngưỡng cao ở 1.98V.

Oscillator Schmitt Trigger

Schmitt Trigger có thể được sử dụng như một oscil l ator bằng cách kết nối mạch tích hợp RC đơn. Sơ đồ mạch của oscillator Schmitt trigger được hiển thị như hình dưới đây.

Đầu ra của mạch là một sóng vuông liên tục. Và tần số của dạng sóng phụ thuộc vào giá trị của R, C và điểm ngưỡng của Schmitt Trigger.

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

Trong đó k là hằng số và nó nằm trong khoảng từ 0.2 đến 1.

CMOS Schmitt Trigger

Mạch đảo tín hiệu đơn giản cho đầu ra tín hiệu ngược lại với tín hiệu đầu vào. Ví dụ, nếu tín hiệu đầu vào cao, tín hiệu đầu ra sẽ thấp đối với mạch đảo đơn giản. Nhưng nếu tín hiệu đầu vào có nhiễu (như xung), tín hiệu đầu ra sẽ phản ứng thay đổi theo xung. Điều này không mong muốn. Do đó, CMOS Schmitt trigger được sử dụng.

Dạng sóng của mạch đảo tín hiệu đơn giản

Trong dạng sóng đầu tiên, tín hiệu đầu vào không có nhiễu. Vì vậy, đầu ra hoàn hảo. Nhưng trong hình thứ hai, tín hiệu đầu vào có một số nhiễu. Đầu ra cũng phản ứng với nhiễu này. Để tránh điều kiện này, CMOS Schmitt trigger được sử dụng.

Sơ đồ mạch dưới đây cho thấy cấu trúc của CMOS Schmitt trigger. CMOS Schmitt Trigger bao gồm 6 transistor, bao gồm cả PMOS và NMOS.

Trước hết, chúng ta cần biết, PMOS và NMOS transistor là gì? Ký hiệu của PMOS và NMOS transistors được thể hiện trong hình dưới đây.

Transistor NMOS dẫn điện khi VG lớn hơn VS hoặc VD. Và transistor PMOS dẫn điện khi VG nhỏ hơn VS hoặc VD. Trong CMOS Schmitt trigger, một transistor PMOS và một transistor NMOS được thêm vào mạch đảo đơn giản.

Trong trường hợp đầu tiên, điện áp đầu vào cao. Trong điều kiện này, transistor PN đang ON và transistor NN đang OFF. Và nó tạo ra một đường dẫn đến đất cho nút A. Do đó, đầu ra của CMOS Schmitt trigger sẽ là không.

Trong trường hợp thứ hai, điện áp đầu vào cao. Trong điều kiện này, transistor NN đang ON và transistor PN đang OFF. Nó sẽ tạo ra một đường dẫn đến điện áp VDD (Cao) cho nút B. Do đó, đầu ra của CMOS Schmitt trigger sẽ là cao.

Ứng dụng của Schmitt Trigger

Các ứng dụng của Schmitt trigger như sau.

Schmitt trigger được sử dụng để chuyển đổi sóng sin và sóng tam giác thành sóng vuông.
Sử dụng quan trọng nhất của Schmitt trigger là loại bỏ nhiễu trong mạch kỹ thuật số.
Nó cũng được sử dụng làm máy phát tín hiệu.
Nó được sử dụng để thực hiện một dao động.
Schmitt trigger với mạch RC được sử dụng để loại bỏ rung động của công tắc.

Nguồn: Electrical4u.

Bản quyền: Respect the original, good articles worth sharing, if there is infringement please contact delete.

Đóng góp và khuyến khích tác giả!

Chủ đề:

Lý thuyết mạch điện

Chuyển đổi Schmitt

Về chuyên gia

Electrical4u

China

Lĩnh vực chuyên môn

Basic Electrical

Bài viết chuyên ngành

607