В электронике триггер Шмитта — это схема компаратора с гистерезисом, реализованная путем применения положительной обратной связи к неинвертирующему входу компаратора или дифференциального усилителя. Это активная схема , которая преобразует аналоговый входной сигнал в цифровой выходной сигнал. Схема называется триггером , потому что выход сохраняет свое значение до тех пор, пока вход не изменится достаточно, чтобы вызвать изменение. В неинвертирующей конфигурации, когда вход выше выбранного порога, выход имеет высокий уровень. Когда вход ниже другого (более низкого) выбранного порога, выход имеет низкий уровень, а когда вход находится между двумя уровнями, выход сохраняет свое значение. Это действие с двойным порогом называется гистерезисом и подразумевает, что триггер Шмитта обладает памятью и может действовать как бистабильный мультивибратор (защелка или триггер ). Существует тесная связь между двумя типами схем: триггер Шмитта можно преобразовать в защелку, а защелку можно преобразовать в триггер Шмитта.
Устройства с триггерами Шмитта обычно используются в приложениях по обработке сигналов для удаления шума из сигналов, используемых в цифровых схемах, в частности, механического дребезга контактов в переключателях . Они также используются в конфигурациях с обратной связью с обратной связью с обратной связью для реализации релаксационных генераторов , используемых в генераторах функций и импульсных источниках питания .
В теории сигналов триггер Шмитта по сути является однобитовым квантователем .
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 термоионный триггер . [2] Это был прямой результат исследования Шмитта 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, применяя положительную обратную связь так, чтобы коэффициент усиления петли был больше единицы. Положительная обратная связь вводится путем добавления части выходного напряжения к входному напряжению. Эти схемы содержат аттенюатор ( блок B на рисунке справа) и сумматор ( круг со знаком «+» внутри) в дополнение к усилителю, действующему как компаратор. Существует три конкретных метода реализации этой общей идеи. Первые два из них являются двойными версиями (последовательной и параллельной) общей системы положительной обратной связи. В этих конфигурациях выходное напряжение увеличивает эффективную разность входного напряжения компаратора путем «уменьшения порога» или путем «увеличения входного напряжения схемы»; свойства порога и памяти объединены в одном элементе. В третьем методе свойства порога и памяти разделены.
Динамический порог (последовательная обратная связь): когда входное напряжение пересекает порог в любом направлении, схема сама изменяет свой собственный порог в противоположном направлении. Для этого она вычитает часть своего выходного напряжения из порога (это равно добавлению напряжения к входному напряжению). Таким образом, выход влияет на порог и не влияет на входное напряжение. Эти схемы реализованы дифференциальным усилителем с «последовательной положительной обратной связью», где вход подключен к инвертирующему входу, а инвертированный выход — к неинвертирующему входу. В этой схеме ослабление и суммирование разделены: делитель напряжения действует как аттенюатор, а контур действует как простой последовательный сумматор напряжения . Примерами являются классический транзисторный эмиттерно-связанный триггер Шмитта, инвертирующий триггер Шмитта на операционном усилителе и т. д.
Измененное входное напряжение (параллельная обратная связь): когда входное напряжение пересекает порог в любом направлении, схема изменяет свое входное напряжение в том же направлении (теперь она добавляет часть своего выходного напряжения непосредственно к входному напряжению). Таким образом, выход увеличивает входное напряжение и не влияет на порог. Эти схемы могут быть реализованы с помощью несимметричного неинвертирующего усилителя с «параллельной положительной обратной связью», где входные и выходные источники подключены через резисторы к входу. Два резистора образуют взвешенный параллельный сумматор, включающий как ослабление, так и суммирование. Примерами являются менее известные триггер Шмитта с коллекторно-базовой связью, неинвертирующий триггер Шмитта на операционном усилителе и т. д.
Некоторые схемы и элементы, демонстрирующие отрицательное сопротивление, также могут действовать аналогичным образом: преобразователи отрицательного импеданса (ПОВ), неоновые лампы , туннельные диоды (например, диод с N-образной вольт-амперной характеристикой в первом квадранте) и т. д. В последнем случае колеблющийся вход заставит диод перемещаться от одного восходящего плеча «N» к другому и обратно, когда вход пересекает восходящий и нисходящий пороги переключения.
Два различных однонаправленных порога назначаются в этом случае 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 вниз и вверх, и на низкий уровень, когда входное напряжение пересекает нижний порог вверх и вниз. Опять же, есть положительная обратная связь, но теперь она сосредоточена только в ячейке памяти. Примерами являются таймер 555 и схема устранения дребезга переключателя. [3]
Символом триггера Шмитта на принципиальных схемах является треугольник с символом внутри, представляющим его идеальную кривую гистерезиса.
Оригинальный триггер Шмитта основан на идее динамического порога, которая реализуется делителем напряжения с переключаемым верхним плечом (коллекторные резисторы R C1 и R C2 ) и постоянным нижним плечом (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, таким образом определяя его порог. Выход компаратора управляет вторым каскадом с общим коллектором Q2 ( эмиттерный повторитель ) через делитель напряжения R 1 -R 2 . Связанные с эмиттером транзисторы Q1 и Q2 фактически составляют электронный двухпозиционный переключатель , который переключает верхние плечи делителя напряжения и изменяет порог в другом (по отношению к входному напряжению) направлении.
Эту конфигурацию можно рассматривать как дифференциальный усилитель с последовательной положительной обратной связью между его неинвертирующим входом (база Q2) и выходом (коллектор Q1), которая форсирует переходный процесс. Также имеется меньшая отрицательная обратная связь, вносимая эмиттерным резистором R E . Чтобы сделать положительную обратную связь доминирующей над отрицательной и получить гистерезис, пропорция между двумя коллекторными резисторами выбирается так, чтобы R C1 > R C2 . Таким образом, при включении Q1 протекает меньший ток и падение напряжения на R E меньше , чем при включении 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 общего напряжения эмиттера (высокий порог для конкретности), так что переход база-эмиттер Q1 смещен в обратном направлении, а Q1 не проводит. Напряжение базы Q2 определяется делителем, описанным выше, так что Q2 проводит, а выход триггера находится в низком состоянии. Два резистора R C2 и R E образуют другой делитель напряжения, который определяет высокий порог. Пренебрегая V BE , значение высокого порога приблизительно равно
Выходное напряжение низкое, но значительно выше уровня земли. Оно приблизительно равно высокому порогу и может быть недостаточно низким, чтобы быть логическим нулем для последующих цифровых схем. Это может потребовать дополнительной схемы сдвига уровня после схемы триггера.
Пересечение высокого порога. Когда входное напряжение (базовое напряжение Q1) немного превышает напряжение на эмиттерном резисторе R E (высокий порог), Q1 начинает проводить. Его коллекторное напряжение падает, и Q2 начинает отключаться, поскольку делитель напряжения теперь обеспечивает более низкое базовое напряжение Q2. Общее эмиттерное напряжение следует за этим изменением и падает, заставляя Q1 проводить больше. Ток начинает направляться от правой ветви цепи к левой. Хотя Q1 проводит больше, он пропускает меньше тока через R E (поскольку R C1 > R C2 ); эмиттерное напряжение продолжает падать, а эффективное напряжение база-эмиттер Q1 непрерывно увеличивается. Этот лавинообразный процесс продолжается до тех пор, пока Q1 не станет полностью включенным (насыщенным), а Q2 не выключится. Триггер переходит в высокое состояние, и выходное напряжение (коллектор Q2) близко к V+. Теперь два резистора R C1 и R E образуют делитель напряжения, который определяет нижний порог. Его значение приблизительно равно
Переход через нижний порог. Теперь, когда триггер находится в высоком состоянии, если входное напряжение падает достаточно низко (ниже нижнего порога), Q1 начинает отключаться. Его коллекторный ток уменьшается; в результате общее напряжение эмиттера немного падает, а напряжение коллектора Q1 значительно возрастает. Делитель напряжения R 1 -R 2 передает это изменение на базовое напряжение Q2, и он начинает проводить ток. Напряжение на R E растет, еще больше снижая потенциал база-эмиттер Q1 таким же лавинообразным 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, выведя V из эмиттеров вместо коллектора Q2. В этой конфигурации выходное напряжение равно динамическому порогу (общему напряжению эмиттера), и оба выходных уровня находятся вдали от шин питания. Другим недостатком является то, что нагрузка изменяет пороги, поэтому она должна быть достаточно высокой. Базовый резистор R B обязателен для предотвращения воздействия входного напряжения через переход база-эмиттер Q1 на напряжение эмиттера.
Схема с прямой связью. Для упрощения схемы можно исключить делитель напряжения R 1 –R 2 , подключив коллектор Q1 напрямую к базе Q2. Базовый резистор R B также можно исключить, чтобы источник входного напряжения управлял непосредственно 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 высокий порог и Q1 насыщается, его переход база-эмиттер смещен в прямом направлении и передает изменения входного напряжения непосредственно на эмиттеры. В результате напряжение общего эмиттера и напряжение коллектора Q1 следуют за входным напряжением. Такая ситуация типична для перегруженных транзисторных дифференциальных усилителей и вентилей ECL .
Как и любая защелка, основная бистабильная схема с коллектором и базой работает с гистерезисом. Ее можно преобразовать в триггер Шмитта, подключив дополнительный базовый резистор R к одному из входов (база Q1 на рисунке). Два резистора R и R 4 образуют параллельный сумматор напряжения (круг на блок-схеме выше), который суммирует выходное (коллектор Q2) напряжение и входное напряжение и управляет однотактным транзисторным «компаратором» Q1. Когда базовое напряжение пересекает порог (V BE0 ∞ 0,65 В) в любом направлении, часть коллекторного напряжения 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).
Версия с эмиттерной связью имеет то преимущество, что входной транзистор смещен в обратном направлении, когда входное напряжение значительно ниже высокого порога, поэтому транзистор определенно отключается. Это было важно, когда для реализации схемы использовались германиевые транзисторы, и эта конфигурация продолжает оставаться популярной. Входной базовый резистор можно опустить, поскольку эмиттерный резистор ограничивает ток, когда входной переход база-эмиттер смещен в прямом направлении.
Уровень выходного сигнала логического нуля триггера Шмитта с эмиттерной связью может быть недостаточно низким и может потребоваться дополнительная схема смещения выходного уровня. Триггер Шмитта с коллекторной связью имеет чрезвычайно низкий (почти нулевой) выходной сигнал при логическом нуле .
Триггеры Шмитта обычно реализуются с использованием операционного усилителя или специализированного компаратора . [nb 2] Операционный усилитель с разомкнутым контуром и компаратор 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 R 1 и R 2 образуют параллельный сумматор напряжения. 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 пропорцией между сопротивлениями R 1 и R 2 . Выход параллельного сумматора напряжения является несимметричным (он выдает напряжение относительно земли), поэтому схеме не нужен усилитель с дифференциальным входом. Поскольку обычные операционные усилители имеют дифференциальный вход, инвертирующий вход заземляется, чтобы сделать опорную точку нулевой.
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). Она действует как компаратор, который переключается в другой точке в зависимости от того, является ли выход компаратора высоким или низким. Когда входное напряжение схемы находится между порогами, 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, выход будет на положительной шине питания (+V S ). Выходное напряжение V + резистивного сумматора можно найти, применив теорему суперпозиции :
Компаратор переключится, когда V + = 0. Затем (тот же результат можно получить, применив принцип сохранения тока). So должен упасть ниже, чтобы выход переключился. Как только выход компаратора переключился на − V S , порог становится для переключения обратно на высокий уровень. Таким образом, эта схема создает полосу переключения с центром на нуле с уровнями срабатывания (ее можно сместить влево или вправо, приложив напряжение смещения к инвертирующему входу). Входное напряжение должно подняться выше верхней границы полосы, 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 схлопывается до нулевой ширины, и он ведет себя как стандартный компаратор. Передаточная характеристика показана на рисунке слева. Значение порога T задается как , а максимальное значение выхода M является шиной питания.
Уникальным свойством схем с параллельной положительной обратной связью является воздействие на входной источник. [ необходима цитата ] 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 постоянное выходное напряжение операционного усилителя подается через цепь R 1 -R 2 на входной источник. Выход операционного усилителя пропускает противоположный ток через входной источник (он вводит ток в источник, когда входное напряжение положительно, и потребляет ток из источника, когда оно отрицательно).
Практический триггер Шмитта с точными порогами показан на рисунке справа. Передаточная характеристика имеет точно такую же форму, как и в предыдущей базовой конфигурации, и пороговые значения также такие же. С другой стороны, в предыдущем случае выходное напряжение зависело от источника питания, тогда как теперь оно определяется стабилитронами ( которые также можно заменить одним двуханодным стабилитроном). В этой конфигурации выходные уровни могут быть изменены соответствующим выбором стабилитрона, и эти уровни устойчивы к колебаниям источника питания (т. е. они увеличивают PSRR компаратора ). Резистор R 3 предназначен для ограничения тока через диоды, а резистор R 4 минимизирует смещение входного напряжения, вызванное входными токами утечки компаратора (см. ограничения реальных операционных усилителей ).
В инвертирующей версии ослабление и суммирование разделены. Два резистора R 1 и R 2 действуют только как «чистый» аттенюатор (делитель напряжения). Входной контур действует как последовательный сумматор напряжения , который добавляет часть выходного напряжения последовательно к входному напряжению схемы. Эта последовательная положительная обратная связь создает необходимый гистерезис, который контролируется пропорцией между сопротивлениями R 1 и всем сопротивлением (R 1 и R 2 ). Эффективное напряжение, приложенное к входу операционного усилителя, плавающее, поэтому операционный усилитель должен иметь дифференциальный вход.
Схема называется инвертирующей, поскольку выходное напряжение всегда имеет противоположный знак входному напряжению, когда оно находится вне цикла гистерезиса (когда входное напряжение выше верхнего порога или ниже нижнего порога). Однако, если входное напряжение находится внутри 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 работа схемы будет рассматриваться при тех же условиях, что и выше. Если триггер Шмитта в данный момент находится в высоком состоянии, выход будет на положительной шине питания (+V S ). Выходное напряжение V + делителя напряжения равно:
Компаратор переключится, когда V in = V + . Поэтому должно превысить это напряжение, чтобы выход переключился. Как только выход компаратора переключится на − V S , порог становится для переключения обратно на высокий уровень. Таким образом, эта схема создает полосу переключения с центром на нуле с уровнями срабатывания (ее можно сместить влево или вправо, подключив R 1 к напряжению смещения). Входное напряжение должно подняться выше верхней границы полосы, 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 схлопывается до нулевой ширины, и он ведет себя как стандартный компаратор.
В отличие от параллельной версии, эта схема не влияет на входной источник, поскольку источник отделен от выхода делителя напряжения высоким дифференциальным входным 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 приложенным входным сигналом. Эти напряжения фиксированы, поскольку выходное напряжение и значения резисторов фиксированы.
поэтому, изменяя падение на (R1), можно изменять пороговые напряжения. Добавляя напряжение смещения последовательно с резистором (R1), можно изменять падение на нем, что может изменять пороговые напряжения. Требуемые значения опорных напряжений можно получить, изменяя напряжение смещения.
Приведенные выше уравнения можно модифицировать следующим образом:
Триггеры Шмитта обычно используются в конфигурациях с открытым контуром для обеспечения помехоустойчивости, а в конфигурациях с закрытым контуром — для реализации генераторов функций .
Одним из применений триггера Шмитта является повышение помехоустойчивости в схеме с единственным входным порогом. При наличии только одного входного порога шумный входной сигнал [nb 4] вблизи этого порога может привести к быстрому переключению выхода из-за одного только шума. Шумный 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 еще одно переключение.
Например, усиленный инфракрасный фотодиод может генерировать электрический сигнал, который часто переключается между своим абсолютным минимальным значением и своим абсолютным максимальным значением. Затем этот сигнал фильтруется по низким частотам для формирования плавного сигнала, который поднимается и опускается в соответствии с относительным количеством времени включения и выключения сигнала переключения. Этот отфильтрованный выходной сигнал проходит на вход триггера Шмитта. Чистый эффект заключается в том, что выход триггера Шмитта переходит от низкого к высокому только после того, как полученный инфракрасный сигнал возбуждает фотодиод дольше некоторого известного периода, и как только триггер Шмитта становится высоким, он переходит на низкий уровень только после того, как инфракрасный сигнал перестает возбуждать фотодиод дольше аналогичного известного периода. В то время как фотодиод склонен к ложному переключению из-за шума из окружающей среды, задержка, добавленная фильтром и триггером Шмитта, гарантирует, что выходной сигнал переключается только тогда, когда есть определенно вход, стимулирующий устройство.
Триггеры Шмитта широко распространены во многих схемах коммутации по схожим причинам (например, для устранения дребезга контактов ).
Следующие устройства серии 7400 включают в себя триггер Шмитта на своих входах: (см. Список интегральных схем серии 7400 )
Ряд устройств серии 4000 включают в себя триггер Шмитта на своих входах: (см. Список интегральных схем серии 4000 )
Конфигурируемые однозатворные микросхемы с входом Шмитта: (см. Список интегральных схем серии 7400#Однозатворные микросхемы )
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. Выходной сигнал будет представлять собой непрерывную прямоугольную волну , частота которой зависит от значений R и C, а также пороговых точек триггера Шмитта. Поскольку несколько цепей триггера Шмитта могут быть обеспечены одной интегральной схемой (например, устройство КМОП серии 4000 типа 40106 содержит 6 из них), запасную секцию ИС можно быстро ввести в эксплуатацию в качестве простого и надежного генератора всего с двумя внешними компонентами.
Здесь триггер Шмитта на основе компаратора используется в своей инвертирующей конфигурации. Кроме того, добавляется медленная отрицательная обратная связь с интегрирующей RC-цепью . Результат, показанный справа, заключается в том, что выход автоматически колеблется от V SS до V DD по мере того, как конденсатор заряжается от одного порога триггера Шмитта до другого.
