今天給大家分享的是：施密特觸發(fā)器。

主要是：施密特觸發(fā)器工作原理、電路圖、主要用途、符號。

一、什么是施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器是一種具有遲滯的比較器電路，通過向比較器或差分放大器的同相輸入端施加正反饋來實現(xiàn)。施密特觸發(fā)器使用兩個輸入不同的閾值電壓電平來避免輸入信號中的噪聲，這種雙閾值的作用稱為滯后。

施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器有幾個穩(wěn)態(tài)?

施密特觸發(fā)器是一種雙穩(wěn)態(tài)電路，當(dāng)輸入達(dá)到某個設(shè)計的閾值電壓電平時，輸出在兩個穩(wěn)態(tài)電壓電平(高和低)之間擺動。

普通比較器只包含一個閾值信號，并將閾值信號與輸入信號進(jìn)行比較。但是，如果輸入信號有噪聲，它可能會影響輸出信號。

噪聲對輸出的影響

在上圖中，由于 A 和 B 位置的噪聲，輸入信號 (V1) 與參考信號 (V2) 的電平相交。在此期間，V1 小于 V2，輸出為低電平。

因此，比較器的輸出受輸入信號中的噪聲影響。并且比較器不受噪聲保護。

“施密特觸發(fā)器”名稱中的“觸發(fā)器”來自這樣一個事實，即輸出保持其值，直到輸入變化足以“觸發(fā)”變化。

施密特觸發(fā)器是一種邏輯輸入，將提供滯后或兩個閾值電平：高和低。這將使我們能夠減少噪聲信號產(chǎn)生的誤差，從而產(chǎn)生方波。此外，它還可用于將三角波和正弦波等其他類型的信號轉(zhuǎn)換為方波。

下面為施密特觸發(fā)器符號：

施密特觸發(fā)器符號

二、施密特觸發(fā)器里面什么是 UTP 和 LTP?

用運算放大器741的施密特觸發(fā)器中的 UTP和 LTP 只不過是 UTP代表上觸發(fā)點，而 LTP代表下觸發(fā)點。

滯后可以定義為當(dāng)輸入高于某個選定閾值 (UTP) 時，輸出為低。當(dāng)輸入低于閾值 (LTP) 時，輸出為高;當(dāng)輸入介于兩者之間時，輸出保持其當(dāng)前值。這種雙重閾值動作稱為滯后。

下面為施密特觸發(fā)器工作原理，上下觸點圖：

施密特觸發(fā)器工作原理圖

在上面的示例中，V 滯后 = UTP-LTP

上閾值(觸發(fā))點、下閾值(觸發(fā))點——這些是比較輸入信號的點。UTP 的值和上述電路的LTP包括以下

UTP = +V * R2 / (R1 + R2)

LTP = -V* R2 /(R1 + R2)

當(dāng)要比較兩個級別時，邊界可能會出現(xiàn)振蕩(或波動)。具有遲滯可防止這種振蕩問題得到解決。比較器始終與固定參考電壓(單參考)進(jìn)行比較，而施密特觸發(fā)器與稱為 UTP 和 LTP 的兩種不同電壓進(jìn)行比較。

使用運算放大器 741 電路的上述施密特觸發(fā)器的 UTP 和 LTP 值 可以使用以下等式計算。

UTP = +V * R2 / (R1 + R2)

LTP = -V* R2 / (R1 + R2)

UTP = +10V *5/5+10= + 3.33 V

LTP = -10V *5/5+10= – 3.33 V

三、施密特觸發(fā)器工作原理 (施密特觸發(fā)器原理圖)

施密特觸發(fā)器利用正反饋——它對輸出進(jìn)行采樣并將其反饋到輸入中，以便“加強”，可以說是輸出——這與負(fù)反饋完全相反，負(fù)反饋試圖抵消對輸出的任何更改。

這種增強屬性很有用——它使比較器決定它想要的輸出狀態(tài)，并使其保持在那里，即使在通常是死區(qū)的范圍內(nèi)。

可以看下面這個簡單的電路：具有遲滯的反相比較器

具有遲滯的反相比較器

假設(shè)輸入電壓低于同相引腳的參考電壓，因此輸出為高電平。

V* 是在非反相輸入端產(chǎn)生固定偏置的參考輸入電壓。由于通過上拉電阻的輸出為高電平，這會創(chuàng)建一個通過反饋電阻的電流路徑，略微增加參考電壓。

當(dāng)輸入高于參考電壓時，輸出變低。通常這不會以任何方式影響參考電壓，但由于有一個反饋電阻，參考電壓會略低于標(biāo)稱值，因為反饋和較低的參考電阻現(xiàn)在與地并聯(lián)(因為低輸出將電阻器的該端子短路到地)。由于參考電壓降低，輸入的微小變化不會導(dǎo)致多次轉(zhuǎn)換——換句話說，不再存在死區(qū)。

為了使輸出變高，輸入現(xiàn)在必須越過新的下限閾值。一旦交叉，輸出變?yōu)楦唠娖?，電路“重置”為初始配置。輸入必須只跨越一次閾值，從而產(chǎn)生一個干凈的轉(zhuǎn)換。該電路現(xiàn)在有兩個有效的閾值或狀態(tài)——它是雙穩(wěn)態(tài)的。

這可以用圖表的形式來概括：

滯后曲線

這可以從通常意義上理解——x軸是輸入，y軸是輸出。追蹤從 x 到 y 的線，我們發(fā)現(xiàn)一旦越過下閾值，滯后就會變高，反之亦然。

同相比較器的操作類似——輸出再次改變電阻網(wǎng)絡(luò)的配置以改變閾值以防止不需要的振蕩或噪聲。

四、施密特觸發(fā)器電路圖

1、基于運算放大器的施密特觸發(fā)器

1)反相施密特觸發(fā)器

在反相施密特觸發(fā)器中，輸入在運算放大器的反相端給出，以及從輸出到輸入的正反饋。反相施密特觸發(fā)器的電路圖如下圖所示：

反相施密特觸發(fā)器

反相施密特觸發(fā)器工作原理：

在 A 點，電壓為 V，施加的電壓(輸入電壓)為 Vin。如果施加的電壓 Vin 大于 V，則電路的輸出將為低電平。如果施加的電壓 Vin 小于 V，則電路的輸出會很高：

現(xiàn)在，計算 V 的方程，應(yīng)用基爾霍夫電流定律(KCL)：

現(xiàn)在，讓我們假設(shè)施密特觸發(fā)器的輸出為高。在這種情況下，

所以，從上面的等式：

當(dāng)輸入信號大于V 1時，施密特觸發(fā)器的輸出將變?yōu)榈碗娖健Ｒ虼?，V 1是上限閾值電壓(V UT )。

輸出將保持低電平，直到輸入信號小于 V。當(dāng)施密特觸發(fā)器的輸出為低電平時，在這種情況下，

現(xiàn)在，輸出保持高電平，直到輸入信號小于 V 2。因此，V 2 被稱為下閾值電壓 (V LT )。

2、同相施密特觸發(fā)器

在同相施密特觸發(fā)器中，輸入信號施加在運算放大器的同相端，并且正反饋從輸出應(yīng)用到輸入。運算放大器的反相端連接到接地端。同相施密特觸發(fā)器的電路圖如下圖所示;

同相施密特觸發(fā)器

在該電路中，當(dāng)電壓 V 大于零時，施密特觸發(fā)器的輸出為高電平。當(dāng)電壓 V 小于零時，輸出將變?yōu)榈碗娖健?/p>

現(xiàn)在，讓我們找到電壓 V 的方程。為此，我們在該節(jié)點應(yīng)用 KCL：

現(xiàn)在，假設(shè)運算放大器的輸出很低。因此，施密特觸發(fā)器的輸出電壓為 V L。并且電壓V等于V 1。

在這種情況下：

從上面的等式：

當(dāng)電壓V 1大于零時，輸出為高電平。在這種情況下：

當(dāng)滿足上述條件時，輸出為高電平。因此，該等式給出了上閾值電壓 (V UT ) 的值。

現(xiàn)在假設(shè)施密特觸發(fā)器的輸出為高。并且電壓V等于V 2。

根據(jù)電壓 V 的方程：

當(dāng)電壓V 2小于零時，施密特觸發(fā)器的輸出將變低。在這種情況下，

上式給出了下閾值電壓 (V LT ) 的值：

2、基于晶體管的施密特觸發(fā)器

使用晶體管的施密特觸發(fā)器電路如下圖所示。下面的電路可以用基本的電子元件構(gòu)建，但兩個晶體管是該電路必不可少的元件。

使用晶體管的施密特觸發(fā)器

當(dāng)輸入電壓 (Vin) 為 0 V 時，T1 晶體管將不導(dǎo)通，而 T2 晶體管將由于電壓參考 (Vref) 與電壓 1.98 導(dǎo)通。在節(jié)點 B，可以將電路視為分壓器，借助以下表達(dá)式計算電壓。

輸入電壓 = 0V，電壓參考 = 5V

Va = (Ra + Rb/Ra + Rb + R1) * Vref

Vb = (Rb/Rb + R1 + Ra) * Vref

T2 晶體管的導(dǎo)通電壓很低，晶體管的發(fā)射極端電壓為 0.7 V，小于晶體管的基極端電壓為 1.28 V。

因此，當(dāng)我們增加輸入電壓時，T1 晶體管的值可以交叉，因此晶體管將導(dǎo)通。這將是晶體管T2的基極端電壓下降的原因。當(dāng) T2 晶體管不再導(dǎo)通時，輸出電壓將增加。

隨后，T1 晶體管基極端子的 Vin(輸入電壓)將開始拒絕，它將停用晶體管，因為晶體管基極端子電壓將高于其發(fā)射極端子的 0.7 V。

當(dāng)晶體管進(jìn)入正向激活模式時，當(dāng)發(fā)射極電流拒絕結(jié)束時，就會發(fā)生這種情況。所以集電極電壓會升高，T2晶體管的基極端也會升高。這將導(dǎo)致很少電流流過 T2 晶體管，進(jìn)一步降低晶體管發(fā)射極的電壓并關(guān)閉 T1 晶體管。在這種情況下，輸入電壓需要降低 1.3V 才能停用 T1 晶體管。所以最后兩個閾值電壓將是 1.9V 和 1.3V。

3、使用IC 555的施密特觸發(fā)器

使用 IC555的施密特觸發(fā)器電路圖如下所示。下面的電路可以用基本的電子元件組成，但I(xiàn)C555是這個電路中必不可少的元件。IC 的兩個引腳(例如引腳 4 和引腳 8)都與 Vcc 電源相連。兩個引腳(如 2 和 6)短接，通過電容器將輸入相互提供給這些引腳。

使用 555 IC 的施密特觸發(fā)器

兩個引腳的相互點可以使用可以由兩個電阻即 R1 和 R2形成的分壓器規(guī)則提供外部偏置電壓 (Vcc/2) 。輸出保持其值，而輸入位于稱為滯后的兩個閾值之間。該電路可以像存儲元件一樣工作。

閾值為 2/3Vcc &1/3Vcc。高級比較器在 2/3Vcc 下運行，而次要比較器在 1/3Vcc 電源下運行。

使用單獨的比較器將關(guān)鍵電壓與兩個閾值進(jìn)行對比。觸發(fā)器(FF)因此被排列或重新排列。輸出將根據(jù)此變高或變低。

4、施密特觸發(fā)器振蕩器

施密特觸發(fā)器可通過連接單個 RC 集成電路用作振蕩器。施密特觸發(fā)振蕩器的電路圖如下圖所示。

施密特觸發(fā)器振蕩器

電路的輸出是一個連續(xù)的方波。波形的頻率取決于 R、C 的值和施密特觸發(fā)器的閾值點。

其中 k 是一個常數(shù)，范圍在 0.2 和 1 之間。

5、CMOS施密特觸發(fā)器

簡單的信號反相器電路給出與輸入信號相反的輸出信號。例如，如果輸入信號為高，則對于簡單的逆變器電路，輸出信號為低。

但是如果輸入信號有尖峰(噪聲)，輸出信號將對尖峰的變化做出反應(yīng)，這不是我們想要的，因此，使用了 CMOS 施密特觸發(fā)器。

下圖為：簡單信號逆變器電路的波形

簡單信號逆變器電路的波形

在第一個波形中，輸入信號沒有噪聲。所以，輸出是完美的。但在第二個圖中，輸入信號有一些噪聲，輸出也會對這種噪聲做出反應(yīng)。為了避免這種情況，使用了 CMOS 施密特觸發(fā)器。

CMOS 施密特觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)

下面的電路圖顯示了 CMOS 施密特觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)。CMOS 施密特觸發(fā)器由 6 個晶體管組成，包括 PMOS 和 NMOS 晶體管。

下圖為CMOS施密特觸發(fā)器

CMOS 施密特觸發(fā)器

PMOS和NMOS晶體管的符號如下圖所示：

PMOS 和 NMOS 晶體管

NMOS晶體管在VG大于VS或VD時導(dǎo)通。而PMOS管在VG小于VS或VD時導(dǎo)通。在 CMOS 施密特觸發(fā)器中，一個 PMOS 和一個 NMOS 晶體管被添加到一個簡單的反相器電路中。

在第一種情況下，輸入電壓很高。在這種情況下，P N晶體管導(dǎo)通，N N晶體管截止。它為節(jié)點 A 創(chuàng)建了一條接地路徑。因此，CMOS 施密特觸發(fā)器的輸出將為零。

在第二種情況下，輸入電壓很高。在這種情況下，N N晶體管導(dǎo)通，P N晶體管截止。它將為節(jié)點 B創(chuàng)建一條通向電壓 V DD (High) 的路徑。因此，CMOS 施密特觸發(fā)器的輸出會很高。

五、施密特觸發(fā)器的主要用途

1、簡單的振蕩器

有兩個閾值使施密特觸發(fā)器能夠像可預(yù)測的振蕩器一樣發(fā)揮 555 的作用。下面為：簡單的施密特觸發(fā)器振蕩器

施密特觸發(fā)器振蕩器

假設(shè)電容最初未充電。門將其檢測為輸入低電平并將輸出設(shè)置為高電平，因為它是一個反相門。

電容開始通過電阻 R 充電。一旦達(dá)到上限閾值，柵極翻轉(zhuǎn)為輸出低電平，將電容放電至下限閾值，從而提供可預(yù)測的頻率輸出。

可以通過一些數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)出頻率表達(dá)式：

頻率表達(dá)式

其中 R 和 C 是電阻和電容，V T + 是上限閾值，V T – 是下限閾值，V DD是電源電壓。請注意“大約等于”符號。

2、開關(guān)去抖

作為邏輯輸入的機械開關(guān)并不是最好的主意。開關(guān)觸點往往有些彈性，會導(dǎo)致很多不必要的抖動，這又會導(dǎo)致多次轉(zhuǎn)換和進(jìn)一步的故障。使用帶有簡單 RC 電路的施密特觸發(fā)器可以幫助緩解這些問題。

下圖為：施密特觸發(fā)器開關(guān)去抖動器

施密特觸發(fā)器開關(guān)去抖動器

當(dāng)開關(guān)被按下時，它會使電容放電并導(dǎo)致輸出變高一段時間，直到電容器再次充電，在輸出上產(chǎn)生一個干凈的脈沖。

3、其他用途

施密特觸發(fā)器主要用于將正弦波變?yōu)榉讲ā?/p>

這些通常用于消除數(shù)字電路中信號噪聲的信號調(diào)理等應(yīng)用。

這些用于實現(xiàn)用于閉環(huán)負(fù)響應(yīng)設(shè)計的張弛振蕩器。

這些用于開關(guān)電源以及函數(shù)發(fā)生器。

審核編輯：湯梓紅