I den här handledningen kommer vi att lära oss om Schmitt Trigger, några grundläggande implementeringar med hjälp av transistorer, Op-Amp, hur en Schmitt Trigger fungerar och några viktiga tillämpningar också. I en tidigare handledning har vi sett hur 555 Timer kan konfigureras som Schmitt Trigger.
Output
Introduktion
När man använder en Op-Amp i öppet loop-läge där en återkoppling inte används, till exempel i en grundläggande komparatorkrets, kommer Op-Amps mycket stora förstärkning i öppen slinga att leda till att minsta lilla brusspänning utlöser komparatorn.
Om komparatorn används som en nollgångsdetektor kan en sådan falsk utlösning orsaka många problem. Den kan ge en felaktig indikation av nollgenomgång på grund av brusets nollgenomgång snarare än de faktiska ingångssignalernas nollgenomgång.
För att undvika en sådan onödig omkoppling mellan höga och låga utgångstillstånd används en särskild krets som kallas Schmitt Trigger och som innebär en positiv återkoppling.
Vad är Schmitt Trigger?
Schmitt Trigger uppfanns av Otto Schmitt i början av 1930-talet. Det är en elektronisk krets som med hjälp av positiv återkoppling lägger till hysteres till tröskelvärdet för ingångs-utgångsövergången. Hysteres betyder här att den ger två olika tröskelspänningsnivåer för stigande och fallande kant.
En Schmitt Trigger är i princip en bi-stabil multivibrator och dess utgång förblir i något av de stabila tillstånden på obestämd tid. För att utgången ska kunna ändras från det ena stabila tillståndet till det andra måste ingångssignalen ändras (eller triggas) på lämpligt sätt.
Denna bistabila funktion hos Schmitt-triggern kräver en förstärkare med positiv återkoppling (eller regenerativ återkoppling) med en loop gin som är större än ett. Därför kallas Schmitt Trigger också för regenerativ komparator.
Om vi till exempel har en brusig ingångssignal som visas nedan, kommer Schmitt Trigger-kretsens två tröskelvärden att korrekt bestämma pulserna. Därför är den grundläggande funktionen hos en Schmitt-trigger att omvandla bullriga fyrkantiga, sinus, triangulära eller andra periodiska signaler till rena fyrkantiga pulser med skarpa främre och bakre kanter.
Schmitt-trigger med hjälp av transistorer
Som tidigare nämnts är en Schmitt-trigger i grunden en bistabil krets vars utgångstillstånd styrs av ingångssignalen. Därför kan den användas som en krets för nivådetektering. Följande krets visar en enkel konstruktion av transistorbaserad Schmitt Trigger.
Även om denna krets ser ut som en typisk bistabil multivibratorkrets är den faktiskt annorlunda eftersom denna krets saknar kopplingen från kollektorn i Q2 till ingången i Q1. Emittrarna i Q1 och Q2 är anslutna till varandra och jordade genom RE. RE fungerar också som en återkopplingsväg.
Kretsens funktion
När VIN är noll är Q1 avstängd och Q2 är i mättnad. Som ett resultat av detta är utgångsspänningen VO LOW. Om VCE(SAT) antas vara 0, så ges spänningen över RE av:
(VCC x RE) / (RE + RC2)
Denna spänning är också emitterspänningen för Q1. Så för att Q1 ska leda måste ingångsspänningen VIN vara större än summan av emitterspänningen och 0,7 V, dvs.
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0,7
När VIN är större än denna spänning börjar Q1 leda och Q2 stängs av på grund av regenerativ verkan. Som ett resultat av detta går utgången VO till HIGH. Nu ändras spänningen över RE till ett nytt värde och ges av:
(VCC x RE) / (RE + RC1)
Transistor Q1 kommer att leda så länge ingångsspänningen VIN är större än eller lika med följande:
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0.7
Om VIN faller under detta värde kommer Q1 ur mättnad och resten av kretsen fungerar på grund av regenerativ verkan av att Q1 går till avstängning och Q2 till mättnad.
Utgångstillstånden HIGH och LOW är beroende av ingångsspänningsnivåerna som ges av ekvationerna
(VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7 och (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0,7.7
Överföringsegenskaperna hos en Schmitt-trigger uppvisar hysterese och styrs av den nedre utlösande punkten (Lower Threshold Voltage) och den övre utlösande punkten (Upper Threshold Voltage) som ges av VLT och VUT.
VLT = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7
VUT = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7
Genom att ändra värdena för RC1 och RC2 kan mängden hysteres regleras medan värdet för RE kan användas för att öka den övre tröskelspänningen.
Op Amp-baserade Schmitt trigger-kretsar
Då en Schmitt trigger-krets i huvudsak är en förstärkare med positiv återkoppling är det möjligt att genomföra denna inställning med hjälp av operationsförstärkare eller helt enkelt Op Amps. Beroende på var ingången appliceras kan Op-Amp-baserade kretsar delas in i inverterande och icke-inverterande Schmitt-triggare.
Inverterande Schmitt-triggerkrets
Som namnet antyder appliceras ingången till den inverterande terminalen på Op-Amp:n i en inverterande Schmitt-trigger. I detta läge är den producerade utgången av motsatt polaritet. Denna utgång appliceras på den icke-inverterande terminalen för att säkerställa positiv återkoppling.
När VIN är något större än VREF blir utgången -VSAT och om VIN är något mindre än -VREF (mer negativ än -VREF) blir utgången VSAT. Därför är utgångsspänningen VO antingen vid VSAT eller -VSAT och den ingångsspänning vid vilken dessa tillståndsförändringar inträffar kan styras med hjälp av R1 och R2.
Värdena för VREF och -VREF kan formuleras på följande sätt:
VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = VSAT. Därför är VREF = (VSAT x R2) / (R1 + R2)
-VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = -VSAT. Därför är -VREF = (-VSAT x R2) / (R1 + R2)
Referensspänningen VREF och -VREF kallas övre tröskelspänning VUT och nedre tröskelspänning VLT. Följande bild visar grafen för utgångsspänningen i förhållande till ingångsspänningen, även känd som Schmitt-triggerns överföringskarakteristik.
För en ren sinusformad ingångssignal visas utgångssignalen från en inverterande Schmitt-triggerkrets i följande bild.
Icke-inverterande Schmitt Trigger krets
Vid icke-inverterande Schmitt Trigger kretsar appliceras ingången i det här fallet på den icke-inverterande terminalen på Op-Amp. Utgångsspänningen matas tillbaka till den icke-inverterande terminalen genom motståndet R1.
Låt oss anta att utgångsspänningen initialt är vid VSAT. Tills VIN blir mindre än VLT stannar utgången på denna mättnadsnivå. När ingångsspänningen passerar den nedre tröskelspänningsnivån ändrar utgången tillstånd till -VSAT.
Utgången förblir i detta tillstånd tills ingången stiger över den övre tröskelspänningen.
Följande bild visar överföringsegenskaperna för den icke-inverterande Schmitt Trigger-kretsen.
Om en ren sinusformad signal appliceras som ingång, så ser utgångssignalerna ut ungefär så här.
Tillämpningar
- En viktig tillämpning av Schmitt Trigger är att omvandla sinusvågor till fyrkantiga vågor.
- De kan användas för att eliminera chatter i komparatorer (ett fenomen där flera utgångsövergångar produceras på grund av att ingångssignalen pendlar genom tröskelområdet).
- De kan också fungera som enkla ON/ OFF-styrenheter (t.ex. temperaturbaserade brytare).