Schmitt-triggerin perusteet | Miten Schmitt-trigger toimii?
Tässä opetusohjelmassa opimme Schmitt-triggeristä, eräistä perustoteutuksista transistorien, Op-Ampin avulla, miten Schmitt-trigger toimii ja muutamia tärkeitä sovelluksia. Aikaisemmassa opetusohjelmassa olemme nähneet, miten 555-ajastin voidaan konfiguroida Schmitt-triggeriksi.
Outline
Johdanto
Käytettäessä Op-Amp:ia avoimen silmukan tilassa, jossa ei käytetä takaisinkytkentää, esimerkiksi peruskomparaattoripiirissä, Op-Amp:n erittäin suuri avoimen silmukan vahvistus aiheuttaa sen, että pienikin kohinajännite laukaisee komparaattorin.
Jos komparaattoria käytetään nollakohdan ilmaisimena, tällainen väärä laukeaminen voi aiheuttaa paljon ongelmia. Se voi antaa väärän nollakohtailmaisun, joka johtuu pikemminkin kohinan nollakohdan ylityksestä kuin todellisten tulosignaalien nollakohdan ylityksestä.
Välttääksemme tällaiset tarpeettomat kytkennät lähdön korkeiden ja matalien tilojen välillä, käytämme erityistä piiriä, jota kutsutaan nimellä Schmitt Trigger ja jossa on positiivinen takaisinkytkentä.
Mikä on Schmitt Trigger?
Schmitt Triggerin keksi Otto Schmitt 1930-luvun alussa. Se on elektroninen piiri, joka lisää hystereesin tulo-lähtö-siirtymäkynnykseen positiivisen takaisinkytkennän avulla. Hystereesi tarkoittaa tässä sitä, että se tarjoaa kaksi erilaista kynnysjännitetasoa nousevalle ja laskevalle reunalle.
Pohjimmiltaan Schmitt Trigger on bi-stabiili multivibraattori ja sen ulostulo pysyy jommassakummassa stabiilissa tilassa loputtomiin. Jotta ulostulo vaihtaa yhdestä vakaasta tilasta toiseen, tulosignaalin on muututtava (tai laukaistava) asianmukaisesti.
Tämä Schmitt-triggerin Bistabiili toiminta edellyttää vahvistinta, jossa on positiivinen takaisinkytkentä (tai regeneratiivinen takaisinkytkentä), jonka silmukkagin on suurempi kuin yksi. Siksi Schmitt Trigger tunnetaan myös nimellä regeneratiivinen komparaattori.
Jos meillä on esimerkiksi alla esitetyn kaltainen meluisa tulosignaali, Schmitt Trigger -piirin kaksi kynnysarvoa määrittävät pulssit oikein. Näin ollen Schmitt-triggerin perustehtävä on muuntaa meluisat neliö-, sini-, kolmio- tai muut jaksolliset signaalit puhtaiksi neliöpulsseiksi, joissa on terävät etu- ja takareunat.
Schmitt-triggeri transistoreiden avulla
Kuten aiemmin mainittiin, Schmitt-triggeri on pohjimmiltaan bistabiili piiri, jonka ulostulotiloja ohjataan syöttösignaalilla. Näin ollen sitä voidaan käyttää tason havaitsemispiirinä. Seuraava piiri näyttää yksinkertaisen transistoripohjaisen Schmitt Triggerin suunnittelun.
Vaikka tämä piiri näyttää tyypilliseltä Bistable Multivibrator -piiriltä, se on itse asiassa erilainen, koska tästä piiristä puuttuu kytkentä Q2: n kollektorista Q1: n tuloon. Q1:n ja Q2:n emitterit on kytketty toisiinsa ja maadoitettu RE:n kautta. Lisäksi RE toimii takaisinkytkentäpolkuna.
Piirin toiminta
Kun VIN on nolla, Q1 on katkaistu ja Q2 on kyllästyksessä. Tämän seurauksena lähtöjännite VO on LOW. Jos VCE(SAT) oletetaan 0:ksi, niin RE:n yli oleva jännite saadaan:
(VCC x RE) / (RE + RC2)
Tämä jännite on myös Q1:n emitterijännite. Joten, jotta Q1 johtaisi, tulojännitteen VIN on oltava suurempi kuin emitterijännitteen ja 0,7 V:n summa eli
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0,7
Kun VIN on suurempi kuin tämä jännite, Q1 alkaa johtaa ja Q2 katkeaa regeneratiivisen toiminnan vuoksi. Tämän seurauksena lähtö VO menee HIGH. Nyt RE:n yli oleva jännite muuttuu uuteen arvoon ja se saadaan:
(VCC x RE) / (RE + RC1)
Transistori Q1 johtaa niin kauan kuin tulojännite VIN on suurempi tai yhtä suuri kuin seuraava:
VIN = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0.7
Jos VIN laskee tämän arvon alapuolelle, Q1 poistuu saturaatiosta ja piirin muu toiminta johtuu regeneratiivisesta toiminnasta, jossa Q1 menee katkaisuun ja Q2 saturaatioon.
Lähdön tilat HIGH ja LOW ovat riippuvaisia syöttöjännitetasoista, jotka on annettu yhtälöillä
(VCC x RE) / (RE + RC1) + 0,7 ja (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0,7.7
Schmitt-triggerin siirto-ominaisuuksilla on hystereesi ja niitä säätelevät alempi laukaisupiste (Lower Threshold Voltage) ja ylempi laukaisupiste (Upper Threshold Voltage), jotka annetaan VLT:llä ja VUT:lla.
VLT = (VCC x RE) / (RE + RC1) + 0.7
VUT = (VCC x RE) / (RE + RC2) + 0.7
Muuttamalla RC1:n ja RC2:n arvoja voidaan hallita hystereesin määrää, kun taas RE:n arvoa voidaan käyttää ylemmän kynnysjännitteen kasvattamiseen.
Op-amp-pohjaiset Schmitt-triggerpiirit
Koska Schmitt-triggerpiiri on pohjimmiltaan vahvistin positiivisella takaisinkytkennällä varustettuna vahvistimena, tämä asetelma pystytään toteuttamaan operaatiovahvistimilla tai yksinkertaisesti Op-ampilla. Riippuen siitä, mihin tulo syötetään, Op-Amp-pohjaiset piirit voidaan jakaa edelleen invertoiviin ja ei-invertoiviin Schmitt-triggerpiireihin.
Invertoiva Schmitt-triggerpiiri
Nimensä mukaisesti invertoivassa Schmitt-triggerissä tulo syötetään Op-Ampin invertoivaan päätelaitteeseen. Tässä tilassa tuotettu ulostulo on vastakkaisen napaisuuden omaava. Tämä lähtö syötetään ei-invertoivaan päätelaitteeseen positiivisen takaisinkytkennän varmistamiseksi.
Kun VIN on hieman suurempi kuin VREF, lähdöstä tulee -VSAT ja jos VIN on hieman pienempi kuin -VREF (negatiivisempi kuin -VREF), lähdöstä tulee VSAT. Näin ollen lähtöjännite VO on joko VSAT:ssa tai -VSAT:ssa ja tulojännitettä, jolla nämä tilamuutokset tapahtuvat, voidaan ohjata R1:n ja R2:n avulla.
VREF:n ja -VREF:n arvot voidaan muotoilla seuraavasti:
VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = VSAT. Näin ollen VREF = (VSAT x R2) / (R1 + R2)
-VREF = (VO x R2) / (R1 + R2), VO = -VSAT. Näin ollen -VREF = (-VSAT x R2) / (R1 + R2)
Vertailujännitteitä VREF ja -VREF kutsutaan yläkynnysjännitteeksi VUT ja alakynnysjännitteeksi VLT. Seuraavassa kuvassa on esitetty lähtöjännitteen ja tulojännitteen välinen kuvaaja, joka tunnetaan myös nimellä Schmitt-triggerin siirto-ominaisuus.
Puhtaalle sinimuotoiselle tulosignaalille invertoivan Schmitt-trigger-piirin ulostulo on esitetty seuraavassa kuvassa.
Ei-invertoiva Schmitt-triggerpiiri
Ei-invertoivasta Schmitt-triggeristä puhuttaessa tulo syötetään tässä tapauksessa op-ampin ei-invertoivaan liittimeen. Lähtöjännite johdetaan takaisin ei-invertoivaan päätelaitteeseen vastuksen R1 kautta.
Oletetaan, että aluksi lähtöjännite on VSAT. Kunnes VIN muuttuu pienemmäksi kuin VLT, lähtö pysyy tällä saturaatiotasolla. Kun tulojännite ylittää alemman kynnysjännitetason, lähtö vaihtaa tilan -VSAT.
Lähtö pysyy tässä tilassa, kunnes tulo nousee ylemmän kynnysjännitteen yläpuolelle.
Oheinen kuva näyttää ei-invertoivan Schmitt Trigger -piirin siirto-ominaisuudet.
Jos syötteenä syötetään puhdas sinisignaali, niin lähtösignaalit näyttävät jotakuinkin tältä.
Sovellukset
- Yksi tärkeäksi Schmitt Triggerin sovellukseksi on siniaaltojen muuntaminen neliöaalloiksi.
- Sitä voidaan käyttää komparaattoreiden chatterin poistamiseen (ilmiö, jossa syntyy useita ulostulon siirtymiä johtuen tulosignaalin heilahtelusta kynnysalueen läpi).
- Sitä voidaan käyttää myös yksinkertaisina ON/OFF-ohjaimina (esimerkiksi lämpötilapohjaiset kytkimet).