В электронике триггер Шмитта представляет собой схему компаратора с гистерезисом , реализованную путем подачи положительной обратной связи на неинвертирующий вход компаратора или дифференциального усилителя. Это активная схема , которая преобразует аналоговый входной сигнал в цифровой выходной сигнал. Схема называется триггером , потому что выходной сигнал сохраняет свое значение до тех пор, пока входной сигнал не изменится настолько, чтобы вызвать изменение. В неинвертирующей конфигурации, когда входной сигнал превышает выбранный порог, выходной сигнал имеет высокий уровень. Когда входной сигнал ниже другого (нижнего) выбранного порога, выходной сигнал низкий, а когда входной сигнал находится между двумя уровнями, выходной сигнал сохраняет свое значение. Это двойное пороговое действие называется гистерезисом и подразумевает, что триггер Шмитта обладает памятью и может действовать как бистабильный мультивибратор (защелка или триггер ). Между этими двумя типами схем существует тесная связь: триггер Шмитта можно преобразовать в защелку, а защелку можно преобразовать в триггер Шмитта.
Триггерные устройства Шмитта обычно используются в приложениях формирования сигналов для удаления шума из сигналов, используемых в цифровых схемах, особенно из-за дребезга механических контактов в переключателях . Они также используются в конфигурациях с отрицательной обратной связью с обратной связью для реализации релаксационных генераторов , используемых в функциональных генераторах и импульсных источниках питания .
В теории сигналов триггер Шмитта по существу представляет собой однобитовый квантователь .
Триггер Шмитта был изобретен американским ученым Отто Х. Шмиттом в 1934 году, когда он был аспирантом, [1] позже описан в его докторской диссертации (1937) как термоэмиссионный триггер . [2] Это был прямой результат исследования Шмиттом распространения нервных импульсов в нервах кальмара . [2]
Схемы с гистерезисом основаны на положительной обратной связи. Любую активную схему можно заставить вести себя как триггер Шмитта, применив положительную обратную связь, чтобы коэффициент усиления контура был больше единицы. Положительная обратная связь создается путем добавления части выходного напряжения к входному напряжению. Эти схемы содержат аттенюатор (блок B на рисунке справа) и сумматор ( круг с «+» внутри) в дополнение к усилителю, действующему как компаратор. Есть три конкретных метода реализации этой общей идеи. Первые два из них представляют собой двойную версию (последовательную и параллельную) общей системы положительной обратной связи. В этих конфигурациях выходное напряжение увеличивает эффективную разность входного напряжения компаратора за счет «уменьшения порога» или «увеличения входного напряжения схемы»; свойства порога и памяти объединены в один элемент. В третьем методе свойства порога и памяти разделены.
Динамический порог (последовательная обратная связь): когда входное напряжение пересекает порог в каком-то направлении, схема сама меняет свой собственный порог на противоположное направление. Для этого он вычитает часть своего выходного напряжения из порога (это равно прибавлению напряжения к входному). Таким образом, выходной сигнал влияет на пороговое значение и не влияет на входное напряжение. Эти схемы реализованы дифференциальным усилителем с «последовательной положительной обратной связью», где вход подключен к инвертирующему входу, а выход - к неинвертирующему входу. В такой схеме затухание и суммирование разделены: делитель напряжения действует как аттенюатор, а контур действует как простой последовательный сумматор напряжения . Примерами являются классический транзисторный триггер Шмитта с эмиттерной связью, инвертирующий триггер Шмитта на операционном усилителе и т. д.
Модифицированное входное напряжение (параллельная обратная связь): когда входное напряжение пересекает пороговое значение в каком-то направлении, схема меняет свое входное напряжение в том же направлении (теперь она добавляет часть своего выходного напряжения непосредственно к входному напряжению). Таким образом, выходное напряжение увеличивает входное напряжение и не влияет на порог. Эти схемы могут быть реализованы в виде несимметричного неинвертирующего усилителя с «параллельной положительной обратной связью», в котором входной и выходной источники подключены ко входу через резисторы. Два резистора образуют взвешенное параллельное сумматор, включающее в себя как затухание, так и суммирование. Примерами могут служить менее знакомый триггер Шмитта с коллекторно-базовой связью, неинвертирующий триггер Шмитта на операционном усилителе и т. д.
Аналогичным образом могут действовать и некоторые схемы и элементы, обладающие отрицательным сопротивлением : преобразователи отрицательного сопротивления (НИП), неоновые лампы , туннельные диоды (например, диод с N-образной ВАХ в первом квадранте) и т. д. В В последнем случае колебательный вход заставит диод перемещаться от одного восходящего плеча «N» к другому и обратно, когда входной сигнал пересекает повышающиеся и нисходящие пороговые значения переключения.
В этом случае два разных однонаправленных порога назначаются двум отдельным компараторам с разомкнутым контуром (без гистерезиса), управляющим бистабильным мультивибратором (защелкой) или триггером . Триггер переключается на высокий уровень, когда входное напряжение пересекает верхний порог, и на низкий уровень, когда входное напряжение пересекает нижний порог. Опять же, положительная обратная связь есть, но теперь она сосредоточена только в ячейке памяти. Примерами являются таймер 555 и схема устранения дребезга переключателя. [3]
Символ триггера Шмитта на принципиальных схемах представляет собой треугольник с символом внутри, представляющим его идеальную кривую гистерезиса.
Оригинальный триггер Шмитта основан на идее динамического порога, которая реализована с помощью делителя напряжения с переключаемой верхней ветвью (коллекторные резисторы RC1 и RC2 ) и устойчивой нижней ветвью (RE ) . Q1 действует как компаратор с дифференциальным входом (переход база-эмиттер Q1), состоящим из инвертирующего (база Q1) и неинвертирующего (эмиттер Q1) входов. Входное напряжение подается на инвертирующий вход; выходное напряжение делителя напряжения подается на неинвертирующий вход, тем самым определяя его порог. Выход компаратора управляет вторым каскадом с общим коллектором Q2 ( эмиттерный повторитель ) через делитель напряжения R1 - R2 . Транзисторы Q1 и Q2 с эмиттерной связью фактически составляют электронный двухпозиционный переключатель , который переключает верхние ножки делителя напряжения и изменяет пороговое значение в направлении, отличном от входного напряжения.
Эту конфигурацию можно рассматривать как дифференциальный усилитель с последовательной положительной обратной связью между неинвертирующим входом (база Q2) и выходом (коллектор Q1), что вызывает переходный процесс. Эмиттерный резистор R E также создает меньшую отрицательную обратную связь . Чтобы положительная обратная связь доминировала над отрицательной и чтобы получить гистерезис, соотношение между двумя коллекторными резисторами выбирается R C1 > R C2 . Таким образом, при включенном Q1 протекает меньший ток и меньшее падение напряжения на RE, чем в случае, когда включен Q2. В результате схема имеет два разных порога относительно земли (V — на изображении).
Начальное состояние. Для NPN-транзисторов, показанных справа, представьте, что входное напряжение ниже напряжения общего эмиттера (высокий порог конкретности), так что переход база-эмиттер Q1 смещен в обратном направлении, а Q1 не проводит ток. Базовое напряжение Q2 определяется упомянутым делителем, так что Q2 является проводящим, а выход триггера находится в низком состоянии. Два резистора R C2 и R E образуют еще один делитель напряжения, который определяет верхний порог. Если пренебречь VBE , значение верхнего порога составит примерно
Выходное напряжение низкое, но значительно выше земли. Он примерно равен верхнему порогу и может быть недостаточно низким, чтобы быть логическим нулем для последующих цифровых схем. Для этого может потребоваться дополнительная схема переключения после триггерной схемы.
Переступаем высокий порог. Когда входное напряжение (базовое напряжение Q1) немного превышает напряжение на эмиттерном резисторе R E (верхний порог), Q1 начинает проводить ток. Напряжение его коллектора падает, и Q2 начинает отключаться, поскольку делитель напряжения теперь обеспечивает более низкое базовое напряжение Q2. Напряжение общего эмиттера следует за этим изменением и снижается, в результате чего проводимость Q1 увеличивается. Ток начинает направляться от правого плеча цепи к левому. Хотя Q1 более проводящий, он пропускает меньший ток через RE ( поскольку R C1 > R C2 ); напряжение эмиттера продолжает падать, а эффективное напряжение база-эмиттер Q1 постоянно увеличивается. Этот лавинообразный процесс продолжается до тех пор, пока Q1 не станет полностью включенным (насыщенным), а Q2 не выключится. Триггер переходит в высокое состояние, а выходное напряжение (коллектор Q2) приближается к V+. Теперь два резистора R C1 и R E образуют делитель напряжения, который определяет нижний порог. Его стоимость составляет примерно
Переступаем низкий порог. Теперь, когда триггер находится в высоком состоянии, если входное напряжение достаточно снизится (ниже нижнего порога), Q1 начнет отключаться. Ток его коллектора уменьшается; в результате напряжение общего эмиттера немного снижается, а напряжение коллектора Q1 значительно возрастает. Делитель напряжения R1 - R2 передает это изменение базовому напряжению Q2, и оно начинает проводить ток . Напряжение на RE возрастает , еще больше снижая потенциал база-эмиттер Q1 таким же лавинным образом, и Q1 перестает проводить ток. Q2 полностью включается (насыщается), и выходное напряжение снова становится низким.
Неинвертирующая схема. Классический неинвертирующий триггер Шмитта можно превратить в инвертирующий триггер, если снять V с эмиттеров, а не с коллектора Q2. В этой конфигурации выходное напряжение равно динамическому порогу (общему напряжению эмиттера), и оба выходных уровня находятся вдали от шин питания. Еще одним недостатком является то, что нагрузка меняет пороговые значения, поэтому она должна быть достаточно высокой. Базовый резистор R B обязателен для предотвращения влияния входного напряжения через переход база-эмиттер Q1 на напряжение эмиттера.
Схема с прямой связью. Для упрощения схемы делитель напряжения R1 – R2 можно не использовать, подключив коллектор Q1 непосредственно к базе Q2. Базовый резистор R B также можно не использовать, чтобы источник входного напряжения непосредственно управлял базой Q1. [4] В этом случае напряжение общего эмиттера и напряжение коллектора Q1 не подходят для выходов. В качестве выхода следует использовать только коллектор Q2, поскольку, когда входное напряжение превышает верхний порог и происходит насыщение Q1, его переход база-эмиттер смещается в прямом направлении и передает изменения входного напряжения непосредственно на эмиттеры. В результате напряжение общего эмиттера и напряжение коллектора Q1 следуют за входным напряжением. Эта ситуация типична для транзисторных дифференциальных усилителей и ЭСЛ- затворов с перегрузкой.
Как и любая защелка, основная бистабильная схема , связанная коллектор-база , обладает гистерезисом. Так, его можно преобразовать в триггер Шмитта, подключив к одному из входов (база Q1 на рисунке) дополнительный резистор базы R. Два резистора R и R 4 образуют параллельную сумму напряжения (круг на блок-схеме выше), которая суммирует выходное напряжение (коллектор Q2) и входное напряжение и управляет несимметричным транзисторным «компаратором» Q1. Когда напряжение базы пересекает пороговое значение (VBE0 ∞ 0,65 В) в каком-либо направлении, часть напряжения коллектора Q2 добавляется в том же направлении к входному напряжению. Таким образом, выход изменяет входное напряжение посредством параллельной положительной обратной связи и не влияет на порог (напряжение база-эмиттер).
Преимущество версии с эмиттерной связью заключается в том, что входной транзистор смещается в обратном направлении, когда входное напряжение значительно ниже верхнего порога, поэтому транзистор гарантированно отключается. Это было важно, когда для реализации схемы использовались германиевые транзисторы, и это преимущество определило ее популярность. Резистор входной базы можно не использовать, поскольку резистор эмиттера ограничивает ток, когда входной переход база-эмиттер смещен в прямом направлении.
Выходной уровень логического нуля триггера Шмитта с эмиттерной связью может быть недостаточно низким и может потребоваться дополнительная схема смещения выходного сигнала. Триггер Шмитта с коллекторной связью имеет крайне низкий (почти нулевой) выходной сигнал при логическом нуле .
Триггеры Шмитта обычно реализуются с использованием операционного усилителя или специального компаратора . [nb 2] Операционный усилитель и компаратор с разомкнутым контуром можно рассматривать как аналого-цифровое устройство, имеющее аналоговые входы и цифровой выход, который извлекает знак разности напряжений между двумя входами. [nb 3] Положительная обратная связь применяется путем добавления части выходного напряжения к входному напряжению последовательно или параллельно. Благодаря чрезвычайно высокому коэффициенту усиления операционного усилителя коэффициент усиления контура также достаточно высок и обеспечивает лавинообразный процесс.
В этой схеме два резистора R1 и R2 образуют параллельную сумму напряжений. Он добавляет часть выходного напряжения к входному напряжению, тем самым увеличивая его во время и после переключения, которое происходит, когда результирующее напряжение близко к земле. Эта параллельная положительная обратная связь создает необходимый гистерезис , который контролируется соотношением сопротивлений R 1 и R 2 . Выход сумматора параллельного напряжения является несимметричным (он создает напряжение относительно земли), поэтому для схемы не требуется усилитель с дифференциальным входом. Поскольку обычные операционные усилители имеют дифференциальный вход, инвертирующий вход заземлен, чтобы опорная точка была равна нулю.
Выходное напряжение всегда имеет тот же знак, что и входное напряжение операционного усилителя, но не всегда имеет тот же знак, что и входное напряжение схемы (знаки двух входных напряжений могут различаться). Когда входное напряжение схемы выше верхнего порога или ниже нижнего порога, выходное напряжение имеет тот же знак, что и входное напряжение схемы (схема неинвертирующая). Он действует как компаратор, который переключается в разных точках в зависимости от того, высокий или низкий выходной сигнал компаратора. Когда входное напряжение схемы находится между пороговыми значениями, выходное напряжение не определено и зависит от последнего состояния (схема ведет себя как элементарная защелка ).
Например, если триггер Шмитта в данный момент находится в высоком состоянии, выходной сигнал будет на положительной шине питания (+V S ). Выходное напряжение V + резистивного сумматора можно найти, применив теорему суперпозиции :
Компаратор переключится, когда V + =0. Тогда (тот же результат можно получить, применив текущий принцип сохранения). Поэтому необходимо опуститься ниже , чтобы выход переключился. Как только выход компаратора переключится на − V S , порог снова переключится на высокий уровень. Таким образом, эта схема создает полосу переключения с центром в нуле и уровнями запуска (ее можно сместить влево или вправо, подав напряжение смещения на инвертирующий вход). Входное напряжение должно подняться выше верхней границы диапазона, а затем ниже нижней границы полосы, чтобы выход включился (плюс), а затем снова выключился (минус). Если R 1 равен нулю или R 2 равен бесконечности (т. е. разомкнутая цепь ), полоса сжимается до нулевой ширины и ведет себя как стандартный компаратор. Передаточная характеристика показана на рисунке слева. Значение порога T определяется как , а максимальное значение выхода M соответствует шине питания.
Уникальным свойством схем с параллельной положительной обратной связью является воздействие на источник входного сигнала. [ нужна цитация ] В схемах с отрицательной параллельной обратной связью (например, инвертирующий усилитель) виртуальная земля на инвертирующем входе отделяет входной источник от выхода операционного усилителя. Здесь нет виртуальной земли, и устойчивое выходное напряжение ОУ подается через цепь R 1 -R 2 на входной источник. Выход операционного усилителя пропускает противоположный ток через источник входного сигнала (он подает ток в источник, когда входное напряжение положительное, и потребляет ток от источника, когда оно отрицательное).
Практический триггер Шмитта с точными порогами показан на рисунке справа. Передаточная характеристика имеет точно такую же форму, как и предыдущая базовая конфигурация, и пороговые значения также такие же. С другой стороны, в предыдущем случае выходное напряжение зависело от источника питания, а теперь оно определяется стабилитронами ( которые также можно заменить одинарным стабилитроном с двойным анодом). В этой конфигурации выходные уровни могут быть изменены путем соответствующего выбора стабилитрона, и эти уровни устойчивы к колебаниям напряжения питания (т. е. они увеличивают PSRR компаратора ). Резистор R3 предназначен для ограничения тока через диоды, а резистор R4 минимизирует смещение входного напряжения , вызванное входными токами утечки компаратора (см. ограничения реальных операционных усилителей ).
В инвертирующей версии затухание и суммирование разделены. Два резистора R1 и R2 действуют только как «чистый» аттенюатор (делитель напряжения). Входной контур действует как сумматор последовательного напряжения , который последовательно добавляет часть выходного напряжения к входному напряжению схемы. Эта последовательная положительная обратная связь создает необходимый гистерезис, который контролируется соотношением сопротивлений R 1 и всего сопротивления (R 1 и R 2 ). Действующее напряжение, подаваемое на вход операционного усилителя, является плавающим, поэтому операционный усилитель должен иметь дифференциальный вход.
Схема называется инвертирующей, поскольку выходное напряжение всегда имеет знак, противоположный входному, когда оно находится вне цикла гистерезиса (когда входное напряжение выше верхнего порога или ниже нижнего порога). Однако, если входное напряжение находится в пределах цикла гистерезиса (между верхним и нижним порогами), схема может быть как инвертирующей, так и неинвертирующей. Выходное напряжение не определено и зависит от последнего состояния, поэтому схема ведет себя как элементарная защелка.
Для сравнения двух версий рассмотрим работу схемы при тех же условиях, что и выше. Если триггер Шмитта в данный момент находится в высоком состоянии, выходной сигнал будет на положительной шине питания (+V S ). Выходное напряжение V + делителя напряжения равно:
Компаратор переключится, когда V in = V + . Поэтому напряжение должно превышать это значение, чтобы выходной сигнал переключился. Как только выход компаратора переключится на − V S , порог снова переключится на высокий уровень. Таким образом, эта схема создает полосу переключения с центром в нуле и уровнями запуска (ее можно сместить влево или вправо, подключив R 1 к напряжению смещения). Входное напряжение должно подняться выше верхней границы диапазона, а затем ниже нижней границы полосы, чтобы выход выключился (минус), а затем снова включился (плюс). Если R 1 равен нулю (т. е. короткое замыкание ) или R 2 равен бесконечности, полоса сжимается до нулевой ширины и ведет себя как стандартный компаратор.
В отличие от параллельной версии, эта схема не влияет на источник входного сигнала, поскольку источник отделен от выхода делителя напряжения высоким входным дифференциальным сопротивлением операционного усилителя.
В инвертирующем усилителе падение напряжения на резисторе (R1) определяет опорные напряжения, т.е. верхнее пороговое напряжение (V+) и нижнее пороговое напряжение (V-) для сравнения с подаваемым входным сигналом. Эти напряжения фиксированы, так же как фиксированы выходное напряжение и значения резисторов.
поэтому, изменяя падение напряжения на резисторе (R1), можно изменять пороговые напряжения. Добавляя напряжение смещения последовательно с резистором (R1), можно изменять падение на нем, что может изменить пороговые напряжения. Желаемые значения опорных напряжений можно получить, варьируя напряжение смещения.
Приведенные выше уравнения можно изменить следующим образом:
Триггеры Шмитта обычно используются в конфигурациях с разомкнутым контуром для обеспечения помехоустойчивости и в конфигурациях с замкнутым контуром для реализации генераторов функций .
Одним из применений триггера Шмитта является повышение помехоустойчивости в схеме только с одним входным порогом. При наличии только одного входного порога зашумленный входной сигнал [nb 4] вблизи этого порога может привести к быстрому переключению выходного сигнала туда и обратно только из-за шума. Зашумленный входной сигнал триггера Шмитта вблизи одного порога может вызвать только одно переключение выходного значения, после чего ему придется выйти за пределы другого порога, чтобы вызвать другое переключение.
Например, усиленный инфракрасный фотодиод может генерировать электрический сигнал, который часто переключается между абсолютным наименьшим значением и абсолютным максимальным значением. Затем этот сигнал подвергается фильтрованию нижних частот для формирования плавного сигнала, который нарастает и спадает в зависимости от относительного количества времени, в течение которого сигнал переключения включен и выключен. Этот отфильтрованный выходной сигнал поступает на вход триггера Шмитта. Конечным эффектом является то, что выходной сигнал триггера Шмитта переходит от низкого к высокому только после того, как полученный инфракрасный сигнал возбуждает фотодиод в течение более длительного, чем некоторый известный период, и как только триггер Шмитта становится высоким, он переходит в низкий уровень только после того, как инфракрасный сигнал перестает возбуждают фотодиод дольше, чем аналогичный известный период. В то время как фотодиод склонен к ложному переключению из-за шума окружающей среды, задержка, добавляемая фильтром и триггером Шмитта, гарантирует, что выходной сигнал переключается только тогда, когда есть вход, стимулирующий устройство.
Триггеры Шмитта распространены во многих переключающих схемах по тем же причинам (например, для устранения дребезга переключателя ).
Следующие устройства серии 7400 имеют триггер Шмитта на своих входах: (см. Список интегральных схем серии 7400 )
Ряд устройств серии 4000 имеют триггер Шмитта на своих входах: (см. Список интегральных схем серии 4000 ).
Конфигурируемые однозатворные микросхемы с входом Шмитта: (см. Список интегральных схем серии 7400 # Микросхемы с одним затвором )
Триггер Шмитта — это бистабильный мультивибратор , и его можно использовать для реализации другого типа мультивибратора — релаксационного генератора . Это достигается путем подключения одной RC-интегрирующей цепи между выходом и входом инвертирующего триггера Шмитта. На выходе будет непрерывная прямоугольная волна , частота которой зависит от значений R и C, а также пороговых точек триггера Шмитта. Поскольку одна интегральная схема может обеспечить несколько триггерных схем Шмитта (например, КМОП -устройство серии 4000, тип 40106, содержит 6 из них), запасную часть ИС можно быстро использовать в качестве простого и надежного генератора только с двумя внешними схемами. компоненты.
Здесь в инвертирующей конфигурации используется триггер Шмитта на основе компаратора. Кроме того, медленная отрицательная обратная связь добавляется с помощью интегрирующей RC-цепи . Результат, показанный справа, заключается в том, что выходной сигнал автоматически колеблется от V SS до V DD , когда конденсатор заряжается от одного порога триггера Шмитта до другого.
