Bases du Déclencheur de Schmitt | Comment fonctionne le Déclencheur de Schmitt ?

Introduction

Lorsque l’on fait fonctionner un ampli-op en mode boucle ouverte où une rétroaction n’est pas utilisée, par exemple, dans un circuit comparateur de base, le très grand gain en boucle ouverte de l’ampli-op fait que la plus petite tension de bruit déclenche le comparateur.

Si le comparateur est utilisé comme un détecteur de passage à zéro, alors ce faux déclenchement peut causer beaucoup de problèmes. Il peut donner une indication erronée du passage à zéro en raison du passage à zéro du bruit plutôt que du passage à zéro des signaux d’entrée réels.

Pour éviter ces commutations inutiles entre les états haut et bas de la sortie, on utilise un circuit spécial appelé déclencheur de Schmitt, qui implique une rétroaction positive.

Qu’est-ce que le déclencheur de Schmitt ?

Le Schmitt Trigger a été inventé par Otto Schmitt au début des années 1930. C’est un circuit électronique qui ajoute une hystérésis au seuil de transition entrée-sortie à l’aide d’une rétroaction positive. L’hystérésis signifie ici qu’il fournit deux niveaux de tension de seuil différents pour le front montant et le front descendant.

Essentiellement, un Trigger de Schmitt est un Multivibrateur Bi-stable et sa sortie reste dans l’un ou l’autre des états stables indéfiniment. Pour que la sortie passe d’un état stable à l’autre, le signal d’entrée doit changer (ou se déclencher) de manière appropriée.

Ce fonctionnement Bistable du Déclencheur de Schmitt nécessite un amplificateur à rétroaction positive (ou rétroaction régénérative) avec un gin de boucle supérieur à un. Par conséquent, le Déclencheur de Schmitt est également connu sous le nom de Comparateur régénératif.

Par exemple, si nous avons un signal d’entrée bruyant comme indiqué ci-dessous, les deux seuils du circuit du Déclencheur de Schmitt détermineront correctement les impulsions. Par conséquent, la fonction de base d’un déclencheur de Schmitt est de convertir des signaux carrés, sinusoïdaux, triangulaires ou tout autre signal périodique bruyant en impulsions carrées propres avec des bords d’attaque et de fuite nets.

Déclencheur de Schmitt utilisant des transistors

Comme mentionné précédemment, un déclencheur de Schmitt est fondamentalement un circuit bistable dont les états de sortie sont contrôlés par le signal d’entrée. Par conséquent, il peut être utilisé comme un circuit de détection de niveau. Le circuit suivant montre une conception simple de Déclencheur de Schmitt à base de Transistor.

Même si ce circuit ressemble à un circuit Multivibrateur Bistable typique, il est en fait différent car il manque à ce circuit le couplage du collecteur de Q2 à l’entrée de Q1. Les émetteurs de Q1 et Q2 sont connectés l’un à l’autre et mis à la terre par RE. De plus, RE agit comme un chemin de rétroaction.

Fonctionnement du circuit

Lorsque VIN est nul, Q1 est coupé et Q2 est en saturation. Par conséquent, la tension de sortie VO est BASSE. Si l’on suppose que VCE(SAT) vaut 0, alors la tension aux bornes de RE est donnée par :

(VCC x RE) / (RE + RC2)

Cette tension est également la tension d’émetteur de Q1. Ainsi, pour que Q1 conduise, la tension d’entrée VIN doit être supérieure à la somme de la tension d’émetteur et de 0,7 V soit :

VIN = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0,7

Lorsque le VIN est supérieur à cette tension, Q1 commence à conduire et Q2 est coupé en raison de l’action régénératrice. En conséquence, la sortie VO passe en niveau HAUT. Maintenant, la tension aux bornes du RE change à une nouvelle valeur et est donnée par :

(VCC x RE) / (RE + RC1)

Le transistor Q1 sera conducteur tant que la tension d’entrée VIN est supérieure ou égale à ce qui suit :

VIN = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0.7

Si VIN descend en dessous de cette valeur, alors Q1 sort de la saturation et le reste du circuit fonctionne est dû à l’action régénératrice de Q1 allant à la coupure et Q2 à la saturation.

Les états de sortie HIGH et LOW dépendent des niveaux de tension d’entrée donnés par les équations

(VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7 et (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7

Les caractéristiques de transfert d’un déclencheur de Schmitt présentent une hystérésis et sont régies par le point de déclenchement inférieur (tension de seuil inférieure) et le point de déclenchement supérieur (tension de seuil supérieure) donnés par VLT et VUT.

VLT = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7

VUT = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7

En modifiant les valeurs de RC1 et RC2, on peut contrôler la quantité d’hystérésis tandis que la valeur de RE peut être utilisée pour augmenter la tension de seuil supérieur.

Circuits de déclenchement de Schmitt basés sur des amplificateurs opérationnels

Puisqu’un circuit de déclenchement de Schmitt est essentiellement un amplificateur avec une rétroaction positive, il est possible de mettre en œuvre cette configuration en utilisant des amplificateurs opérationnels ou simplement des amplificateurs opérationnels. Selon l’endroit où l’entrée est appliquée, les circuits basés sur les amplificateurs opérationnels peuvent être encore divisés en déclencheurs de Schmitt inverseurs et non inverseurs.

Circuit de déclencheur de Schmitt inverseur

Comme son nom l’indique, dans un déclencheur de Schmitt inverseur, l’entrée est appliquée à la borne inverseuse de l’amplificateur opérationnel. Dans ce mode, la sortie produite est de polarité opposée. Cette sortie est appliquée à la borne non inverseuse pour assurer une rétroaction positive.

Lorsque VIN est légèrement supérieur à VREF, la sortie devient -VSAT et si VIN est légèrement inférieur à -VREF (plus négatif que -VREF), alors la sortie devient VSAT. Par conséquent, la tension de sortie VO est soit à VSAT, soit à -VSAT et la tension d’entrée à laquelle ces changements d’état se produisent peut être contrôlée en utilisant R1 et R2.

Les valeurs de VREF et -VREF peuvent être formulées comme suit :

VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = VSAT. Par conséquent, VREF = (VSAT x R2) / (R1 + R2)

-VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = -VSAT. Par conséquent, -VREF = (-VSAT x R2) / (R1 + R2)

Les tensions de référence VREF et -VREF sont appelées tension de seuil supérieur VUT et tension de seuil inférieur VLT. L’image suivante montre le graphique de la tension de sortie en fonction de la tension d’entrée également connu sous le nom de caractéristique de transfert du déclencheur de Schmitt.

Pour un signal d’entrée sinusoïdal pur, la sortie d’un circuit de déclencheur de Schmitt à inversion est représentée sur l’image suivante.

Circuit de déclenchement de Schmitt sans inversion

Pour ce qui est du déclencheur de Schmitt sans inversion, l’entrée est dans ce cas appliquée à la borne non inverseuse de l’ampli-op. La tension de sortie est renvoyée à la borne non inverseuse par la résistance R1.

Supposons qu’initialement, la tension de sortie est à VLT. Jusqu’à ce que VIN devienne inférieur à VLT, la sortie reste à ce niveau de saturation. Une fois que la tension d’entrée franchit le niveau de tension de seuil inférieur, la sortie change d’état et passe à -VSAT.

La sortie reste dans cet état jusqu’à ce que l’entrée dépasse la tension de seuil supérieur.

L’image suivante montre les caractéristiques de transfert du circuit de déclenchement de Schmitt non inverseur.

Si un signal sinusoïdal pur est appliqué en entrée, alors les signaux de sortie ressemblent à ceci.

Applications

• Une application importante du déclencheur de Schmitt est de convertir les ondes sinusoïdales en ondes carrées.
• Ils peuvent être utilisés pour éliminer le bavardage dans les comparateurs (un phénomène où de multiples transitions de sortie sont produites en raison du balancement du signal d’entrée à travers la région du seuil).
• Ils peuvent également agir comme de simples contrôleurs ON / OFF (par exemple, des interrupteurs basés sur la température).