Schmitt Trigger Basics | How Schmitt Trigger Works?

このチュートリアルでは、シュミットトリガーについて、トランジスタやオペアンプを使った基本的な実装、シュミットトリガーの動作、いくつかの重要なアプリケーションについて説明します。 以前のチュートリアルでは、555 タイマーをシュミットトリガーとして構成する方法について説明しました。

シュロットトリガーとは何ですか?

シュミットトリガーは、1930年代前半にオットー・シュミットによって発明されました。 正帰還を利用して、入出力遷移閾値にヒステリシスを持たせた電子回路です。

本質的に、シュミットトリガーはバイステーブル・マルチバイブレータであり、その出力は無期限にいずれかの安定状態にとどまります。

このシュミットトリガーの双安定動作には、ループジンが 1 より大きい正帰還 (または再生帰還) 付きのアンプが必要です。

たとえば、以下のようなノイズの多い入力信号があった場合、シュミットトリガー回路の 2 つのスレッショルドは正しくパルスを決定します。

トランジスタを使ったシュミット トリガー

前述のように、シュミット トリガーは基本的に双安定回路で、出力状態が入力信号によって制御されます。 したがって、レベル検出回路として使用することができます。

この回路は典型的な双安定マルチバイブレータ回路のように見えますが、Q2 のコレクタから Q1 の入力への結合がないため、実際には異なります。 Q1とQ2のエミッタは互いに接続され、REを介して接地されています。 また、REはフィードバック経路として機能する。

回路の動作

VINが0のとき、Q1は遮断され、Q2は飽和状態になります。 その結果、出力電圧VOはLOWになります。 VCE(SAT)を0とすると、REにかかる電圧は次のようになります：

(VCC x RE) / (RE + RC2)

この電圧は、Q1のエミッタ電圧でもあります。

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

VINがこの電圧より大きいとき、Q1は導通し始め、Q2は回生動作により遮断されます。 その結果、出力VOはHIGHになります。 ここで、REにかかる電圧は新しい値に変わり、次の式で与えられます：

(VCC x RE) / (RE + RC1)

トランジスタQ1は、入力電圧VINが次の値以上であれば導通します：

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

Q1 は、入力電圧VINが次の値以上であれば導通します：

トランジスタQ1が、入力電圧VINが次の値以下であれば導通します。7

もし VIN がこの値を下回ると、Q1 は飽和状態から抜け出し、回路の残りの部分は Q1 がカットオフに、Q2 が飽和状態になる再生動作により動作します。

出力状態の HIGH および LOW は、方程式

(VCC x RE) / (RE + RC1) + 0.7 と (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7 で与えられる入力電圧レベルにより左右されます。7

シュミットトリガの伝達特性はヒステリシスを示し、VLT と VUT で与えられる Lower Trip point (閾値下限電圧) と Upper Trip point (閾値上限電圧) で支配されます

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

VUT = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.1

VCS は、VLT と VUT で与えられる閾値下限電圧 (VCC、RE、RS2) で支配されます。7

RC1とRC2の値を変えることで、ヒステリシス量を制御でき、REの値でスレッショルド上限電圧を増加させることが可能です。

オペアンプベースのシュミット トリガー回路

シュミット トリガー回路は基本的に正帰還のアンプなので、オペアンプまたは単にオペアンプを使ってこの設定を実装することが可能です。

反転シュミット トリガー回路

その名が示すように、反転シュミット トリガーは、オペアンプの反転端子に入力が印加されている状態です。 このモードでは、出力は逆極性になります。

VINがVREFよりわずかに大きい場合、出力は-VSATとなり、VINが-VREFよりわずかに小さい場合（-VREFより負が多い）、出力はVSATとなります。

VREFと-VREFの値は次のように定式化できます。

VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = VSAT. したがって、VREF = (VSAT x R2) / (R1 + R2)

-VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = -VSAT. したがって、-VREF = (-VSAT x R2) / (R1 + R2)

基準電圧VREFと-VREFは、しきい値上限電圧VUT、しきい値下限電圧VLTと呼ばれます。

純粋な正弦波入力信号に対して、反転シュミットトリガ回路の出力は次の画像のようになります。

非反転シュミットトリガー回路

非反転シュミットトリガーの場合、オペアンプの非反転端子に入力されることになります。

最初に出力電圧がVSATであるとします。 VIN が VLT よりも小さくなるまで、出力はこの飽和レベルにとどまります。

入力電圧が下限しきい値電圧レベルを超えると、出力は-VSATに変化し、入力が上限しきい値電圧を超えて上昇するまで、出力はこの状態のままです。

以下の画像は、非反転シュミットトリガー回路の伝達特性です。

入力として純正弦波信号を適用すると、出力信号はこのようなものになります。

アプリケーション

• シュミット トリガーの重要なアプリケーションとして、正弦波を方形波に変換することが挙げられます。
• コンパレータのチャタリング (スレッショルド領域を通過する入力信号の揺れにより、複数の出力遷移が生じる現象) を除去するために使用することができます。