Ezzel a bemutatóval megismerkedünk a Schmitt Triggerrel, néhány alapvető megvalósítással a tranzisztorok és az Op-Amp segítségével, hogyan működik a Schmitt Trigger és néhány fontos alkalmazással is. Egy korábbi bemutatóban láttuk, hogyan lehet az 555 időzítőt Schmitt Triggerként konfigurálni.
Outline
Bevezetés
Az Op-Amp nyílt hurok üzemmódban történő működtetésekor, ahol nincs visszacsatolás, például egy alap komparátor áramkörben, az Op-Amp nagyon nagy nyílt hurok erősítése miatt a legkisebb zajfeszültség is kiváltja a komparátort.
Ha a komparátort zérusátmenet-érzékelőként használják, akkor az ilyen hamis kioldás sok problémát okozhat. A zérusátmenetet tévesen jelezheti a zaj zérusátmenete miatt, nem pedig a tényleges bemeneti jelek zérusátmenete miatt.
Az ilyen szükségtelen váltás elkerülésére a kimenet magas és alacsony állapota között egy speciális áramkört használnak, amelyet Schmitt Trigger-nek neveznek, és amely pozitív visszacsatolást tartalmaz.
Mi az a Schmitt Trigger?
A Schmitt Triggert Otto Schmitt találta fel az 1930-as évek elején. Ez egy olyan elektronikus áramkör, amely pozitív visszacsatolás segítségével hiszterézist ad a bemeneti-kimeneti átmenet küszöbértékéhez. A hiszterézis itt azt jelenti, hogy két különböző küszöbfeszültségszintet biztosít az emelkedő és a csökkenő élhez.
A Schmitt Trigger lényegében egy bi-stabil multivibrátor, és a kimenete a stabil állapotok bármelyikében marad a végtelenségig. Ahhoz, hogy a kimenet az egyik stabil állapotból a másikba váltson, a bemeneti jelnek megfelelően kell változnia (vagy triggerelni).
A Schmitt Trigger e Bistabil működéséhez pozitív visszacsatolású (vagy regeneratív visszacsatolású) erősítőre van szükség, amelynek hurok ginje nagyobb, mint egy. Ezért a Schmitt Triggert regeneratív komparátornak is nevezik.
Ha például az alábbiakban látható módon zajos bemeneti jelünk van, a Schmitt Trigger áramkör két küszöbértéke helyesen fogja meghatározni az impulzusokat. Ezért a Schmitt Trigger alapvető funkciója a zajos négyzet, szinusz, háromszög vagy bármilyen periodikus jel átalakítása tiszta négyzetes impulzusokká, éles elülső és hátulsó élekkel.
Schmitt Trigger tranzisztorok használatával
Amint korábban említettük, a Schmitt Trigger alapvetően egy bistabil áramkör, amelynek kimeneti állapotait a bemeneti jel vezérli. Ennélfogva szintérzékelő áramkörként használható. A következő áramkör a tranzisztor alapú Schmitt Trigger egyszerű kialakítását mutatja be.
Noha ez az áramkör úgy néz ki, mint egy tipikus Bistabil multivibrátor áramkör, valójában más, mivel ebben az áramkörben hiányzik a Q2 kollektorának a Q1 bemenetére történő csatolása. A Q1 és a Q2 emitterei egymáshoz vannak csatlakoztatva és RE-n keresztül földelve. Emellett az RE visszacsatolási útvonalként is működik.
Az áramkör működése
Amikor a VIN nulla, a Q1 le van kapcsolva és a Q2 telített állapotban van. Ennek eredményeképpen a VO kimeneti feszültség LOW. Ha a VCE(SAT) értékét 0-nak vesszük, akkor az RE-n keresztüli feszültséget a következő adja:
(VCC x RE) / (RE + RC2)
Ez a feszültség egyben a Q1 emitterfeszültsége is. Tehát ahhoz, hogy a Q1 vezessen, a VIN bemeneti feszültségnek nagyobbnak kell lennie, mint az emitterfeszültség és 0,7 V összege, azaz:
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0,7
Amikor a VIN nagyobb, mint ez a feszültség, a Q1 vezetni kezd, és a Q2 a regeneratív hatás miatt kikapcsol. Ennek eredményeképpen a VO kimenet HIGH-ra vált. Most az RE-n keresztüli feszültség új értékre változik, és a következő értékkel adódik:
(VCC x RE) / (RE + RC1)
A Q1 tranzisztor mindaddig vezet, amíg a VIN bemeneti feszültség nagyobb vagy egyenlő a következőkkel:
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0.7
Ha a VIN ez alá az érték alá esik, akkor a Q1 kikerül a telítésből, és az áramkör többi része működik, mivel a regeneratív hatás miatt a Q1 lekapcsolásra és a Q2 telítésre megy.
A kimeneti állapotok HIGH és LOW a bemeneti feszültségszintektől függnek, amelyeket az egyenletek
(VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7 és (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0,7.7
A Schmitt Trigger átviteli jellemzői hiszterézist mutatnak, és a VLT és VUT által megadott alsó kioldási pont (alsó küszöbfeszültség) és felső kioldási pont (felső küszöbfeszültség) határozza meg.
VLT = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7
VUT = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7
Az RC1 és RC2 értékének változtatásával szabályozható a hiszterézis mértéke, míg az RE értékével növelhető a felső küszöbfeszültség.
Op Amp alapú Schmitt-trigger áramkörök
Mivel a Schmitt-trigger áramkör lényegében egy erősítő pozitív visszacsatolással, ez a beállítás megvalósítható műveleti erősítők vagy egyszerűen Op Amp-ok használatával. Attól függően, hogy a bemenet hova kerül, az Op-Amp alapú áramkörök tovább oszthatók invertáló és nem invertáló Schmitt Triggerekre.
Invertáló Schmitt Trigger áramkör
Amint a neve is mutatja, az invertáló Schmitt Triggerben a bemenet az Op-Amp invertáló termináljára kerül. Ebben az üzemmódban az előállított kimenet ellentétes polaritású. Ez a kimenet a pozitív visszacsatolás biztosítása érdekében a nem invertáló terminálra kerül.
Ha a VIN valamivel nagyobb, mint a VREF, akkor a kimenet -VSAT lesz, és ha a VIN valamivel kisebb, mint -VREF (negatívabb, mint -VREF), akkor a kimenet VSAT lesz. Ennélfogva a VO kimeneti feszültség vagy VSAT vagy -VSAT, és a bemeneti feszültség, amelyen ezek az állapotváltozások bekövetkeznek, az R1 és R2 segítségével szabályozható.
A VREF és -VREF értékei a következőképpen fogalmazhatók meg:
VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = VSAT. Ebből következően VREF = (VSAT x R2) / (R1 + R2)
-VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = -VSAT. Ezért -VREF = (-VSAT x R2) / (R1 + R2)
A VREF és -VREF referenciafeszültséget felső küszöbfeszültségnek VUT és alsó küszöbfeszültségnek VLT nevezik. A következő kép a kimeneti feszültség és a bemeneti feszültség grafikonját mutatja, amelyet a Schmitt Trigger átviteli karakterisztikájának is neveznek.
Tiszta szinuszos bemeneti jel esetén egy invertáló Schmitt Trigger áramkör kimenete a következő képen látható.
Nem invertáló Schmitt Trigger áramkör
A nem invertáló Schmitt Trigger esetében a bemenetet ebben az esetben az Op-Amp nem invertáló termináljára alkalmazzuk. A kimeneti feszültséget az R1 ellenálláson keresztül visszavezetjük a nem invertáló terminálra.
Tegyük fel, hogy kezdetben a kimeneti feszültség VSAT-on van. Amíg a VIN nem lesz kisebb, mint a VLT, a kimenet ezen a telítési szinten marad. Amint a bemeneti feszültség átlépi az alsó küszöbfeszültségi szintet, a kimenet állapotot vált -VSAT-ra.
A kimenet addig marad ebben az állapotban, amíg a bemenet nem emelkedik a felső küszöbfeszültség fölé.
A következő kép a nem invertáló Schmitt Trigger áramkör átviteli jellemzőit mutatja.
Ha bemenetként tiszta szinuszos jelet alkalmazunk, akkor a kimeneti jelek valahogy így néznek ki.
Alkalmazások
- A Schmitt Trigger egyik fontos alkalmazása a szinuszhullámok négyszöghullámokká alakítása.
- A komparátorokban a chatter megszüntetésére használhatók (olyan jelenség, ahol több kimeneti átmenet keletkezik a bemeneti jelnek a küszöbérték tartományon keresztül történő kilengése miatt).
- Egyszerű ON / OFF vezérlőként is működhetnek (például hőmérséklet alapú kapcsolók).
.