Схема триггера на транзисторах. Триггер Шмитта на транзисторах: принцип работы, схема и применение

Как работает триггер Шмитта на транзисторах. Каковы особенности схемы триггера Шмитта. Для чего применяется триггер Шмитта в электронике. Какие преимущества дает использование триггера Шмитта.

Принцип работы триггера Шмитта на транзисторах

Триггер Шмитта — это электронная схема с положительной обратной связью, обеспечивающая гистерезис при переключении выходного состояния. Рассмотрим принцип работы триггера Шмитта на транзисторах:

• Схема содержит два транзистора, включенных по схеме с общим эмиттером
• Эмиттеры транзисторов соединены через общий резистор, что обеспечивает положительную обратную связь
• При увеличении входного напряжения выше верхнего порога первый транзистор открывается, а второй закрывается
• При уменьшении входного напряжения ниже нижнего порога первый транзистор закрывается, а второй открывается
• Наличие двух порогов переключения (верхнего и нижнего) создает гистерезис характеристики

Благодаря гистерезису триггер Шмитта устойчив к шумам и помехам во входном сигнале. Это позволяет формировать четкие прямоугольные импульсы из зашумленных входных сигналов.

Схема триггера Шмитта на транзисторах

Базовая схема триггера Шмитта на биполярных транзисторах включает следующие элементы:

• Два транзистора NPN-типа
• Резисторы в цепях базы и коллектора каждого транзистора
• Общий эмиттерный резистор
• Входная цепь, подключенная к базе первого транзистора
• Выходная цепь, снимающая сигнал с коллектора второго транзистора

Верхний и нижний пороги переключения задаются номиналами резисторов. Изменяя сопротивления, можно регулировать ширину петли гистерезиса триггера Шмитта.

Применение триггера Шмитта в электронике

Триггеры Шмитта широко используются в различных электронных устройствах для решения следующих задач:

• Формирование прямоугольных импульсов из синусоидальных и других сигналов
• Подавление дребезга контактов механических переключателей
• Восстановление формы цифровых сигналов после передачи по длинным линиям
• Создание генераторов прямоугольных импульсов
• Фильтрация шумов и помех во входных цепях цифровых устройств

Триггеры Шмитта повышают помехоустойчивость и надежность работы электронных схем в условиях зашумленности сигналов.

Преимущества использования триггера Шмитта

Применение триггеров Шмитта дает ряд важных преимуществ:

• Повышение помехоустойчивости схем за счет гистерезиса характеристики
• Формирование сигналов с четкими фронтами из зашумленных входных сигналов
• Устранение многократных переключений при медленном изменении входного сигнала
• Возможность задания требуемых порогов срабатывания
• Простота реализации на дискретных элементах или в виде интегральных микросхем

Благодаря этим достоинствам триггеры Шмитта нашли широкое применение в аналоговой и цифровой электронике.

Особенности расчета параметров триггера Шмитта

При расчете триггера Шмитта на транзисторах необходимо учитывать следующие особенности:

• Верхний и нижний пороги срабатывания задаются резисторами в цепях транзисторов
• Ширина петли гистерезиса определяется разностью порогов срабатывания
• Быстродействие схемы зависит от частотных свойств применяемых транзисторов
• Температурная стабильность обеспечивается термокомпенсацией пороговых напряжений

Правильный выбор номиналов элементов позволяет получить требуемые характеристики триггера Шмитта для конкретного применения.

Разновидности триггеров Шмитта

Помимо базовой схемы на биполярных транзисторах, существуют и другие варианты реализации триггеров Шмитта:

• На полевых транзисторах
• На операционных усилителях
• На логических элементах
• В виде специализированных интегральных микросхем

Каждый вариант имеет свои особенности и области применения. Выбор конкретной схемы зависит от требований к параметрам и условий эксплуатации устройства.

Моделирование работы триггера Шмитта

Для анализа работы триггера Шмитта удобно использовать компьютерное моделирование. При этом можно исследовать:

• Передаточную характеристику схемы
• Форму выходных сигналов при различных входных воздействиях
• Влияние разброса параметров элементов на работу схемы
• Температурную зависимость порогов срабатывания
• Быстродействие триггера при различных номиналах элементов

Моделирование позволяет оптимизировать параметры схемы без изготовления большого количества макетов.

Применение триггеров Шмитта в цифровой технике

В цифровых устройствах триггеры Шмитта часто используются в следующих узлах:

• Входные цепи для подавления шумов и помех
• Формирователи импульсов из сигналов различной формы
• Преобразователи уровней между различными логическими семействами
• Генераторы тактовых сигналов на основе кварцевых резонаторов
• Схемы защиты от дребезга механических контактов

Триггеры Шмитта повышают надежность работы цифровых схем в условиях воздействия электромагнитных помех.

Триггерные схемы

Триггерные схемы

Поиск по сайту

Триггер — логическое устройство, способное хранить 1 бит данных. К триггерным принято относить все устройства, имеющие два устойчивых состояния. В основе любого триггера находится кольцо из двух инверторов. Общепринято это кольцо изображать в виде так называемой защелки. Принципиальная схема простейшего триггера-защелки, выполненного на двух инверторах резисторно-транзисторной логики, дана на рисунке . Цепи входного управления у этой защелки нет.

После подачи на триггер напряжения питания состояния его транзисторов могут быть равновероятны: либо насыщен транзистор VT1, а VТ2 находится в состоянии отсечки, либо наоборот. Эти состояния устойчивы. Защелка не может работать как мультивибратор. Пусть по каким-то причинам при включении питания на коллекторе одного из транзисторов, например VTI, коллекторное напряжение снижается, тем самым уменьшается базовый ток I_Б2 транзистора VТ2, следовательно, падает и сила его коллекторного тока I_К2. Из-за этого на коллекторе VT2 напряжение U_и.п — I_K2R_K2 должно повыситься. Если это так, то должен еще быстрее возрастать базовый ток 1 транзистора VTI, ускоряя его переход к состоянию насыщения. Этот процесс идет быстро, лавинообразно. Он называется регенеративным. Процесс окончится, когда перестанет изменяться коллекторный ток транзистора VTI и он перейдет в состояние насыщения. Транзистор VT2 окажется в состоянии отсечки.

Дальнейшее изменение токов I_K1 и I_K2 станет невозможным. Поскольку защелка симметрична, выключая и включая питание U_и.п можно получить один из двух вариантов устойчивого состояния транзисторов в защелке. Если считать что напряжение низкого уровня соотвегсТвует логическому О, обнаруживаем, что запись данных в защелку способом включения и выключения питания даст равновероятный, а поэтому неопределенный результат: 1,0 или 0,1. Однозначную запись 1 бита информации в защелку можно осуществить, если снабдить ее цепями управления и запуска.

В настоящее время существует много разновидностей триггерных схем. Все они появились как результат разработки новых цепей запуска. Для записи данных, т.е. переключения состояния триггера, могут использоваться: статический запуск уровнями напряжения, запуск только одним, положительным или отрицательным перепадом импульса, а также запуск полным тактовым импульсом, когда используются его фронт и срез. Известны триггеры с подачей запускающего перепада через конденсатор, т.е. импульсный запуск только по переменной составляющей тактовой последовательности. На рисунках покказаны схемы взаимного преобразования триггеров.

Среди микросхем КМОП присутствуют все типы триггеров: RS, D и JK . Наиболее популярны D-триггеры, причем в микросхемах ТМ1 и ТМ2 их содержится по два, а в ТМЗ — четыре. Микросхема ТВ1 содержит два наиболее универсальных JK-триггера.

Симметричные триггеры. Теория и практика. Определение, схемы и принцип работы

ВВЕДЕНИЕ

Триггером называется спусковое устройство имеющее два электрических состояния устойчивого равновесия, способное скачком переходить из одного состояния в другое при воздействии на вход триггера управляющего сигнала.

Триггеры могут быть выполнены на различных элементах — электровакуумных или газонаполненных лампах, транзисторах, тиристорах, туннельных диодах, ферромагнитных элементах и т.д. Триггеры, устойчивые состояния которых характеризуются уровнем потенциала на выходах, называются потенциальными или статическими. По схемному выполнению и особенностям работы, статические триггеры различают на симметричные и несимметричные.

Статические триггеры широко применяются в импульсных и цифровых устройствах. Посредством их осуществляется переключение ветвей радиоэлектронных цепей, управление генераторами линейно-изменяющихся напряжений и токов, формирование прямоугольных импульсов тока, запоминание информации и т.д.

В вычислительной технике также популярны так называемые динамические триггеры, которые при воздействии на вход управляющего сигнала, в отличие от статических триггеров, обеспечивают на выходе серию импульсов тока или напряжения.

Ниже рассматривается только симметричный потенциальный триггер, построенный на основе транзисторных ключей, замкнутых в петлю положительной обратной связи с коэффициентом петлевого усиления K_o > I.

Симметричный триггер. Принцип работы

Рис.1 Схема симметричного триггера и диаграмма.

На рис.1 изображена схема статического симметричного триггера на транзисторах типа p-n-p и диаграмма напряжений на коллекторах и базах. В каждом из состояний устойчивого равновесия один из транзисторов открыт (в режиме насыщения), другой закрыт (в режиме отсечки).

Пусть транзистор T₁ открыт, а Т₂ закрыт. При этом потенциал на коллекторе транзистора Т₁ близок к нулю; а на коллекторе Т₂ близок к -E_k. Из базы транзистора T₁ через резистор R₁

» отбирается ток, удерживающий этот транзистор в состоянии насыщения.

Транзистор Т₂ закрыт, так как на его базе образуется положительное напряжение смещения за счет источника Е_см Конденсатор С₁‘ практически разряжен, а С₁» заряжен до напряжения близкого к E_k. В связи с тем, что коэффициент усиления по току транзисторов, находящихся в режиме отсечки и насыщения, равен нулю, общее усиление в петле обратной связи также равно нулю. Этим обеспечивается устойчивость описанного состояния.

Переход триггера из одного устойчивого состояния в другое (т.е. его переключение или опрокидывание) осуществляется путем воздействия внешнего запускающего импульса на базы или коллекторы транзисторов. (Подробнее о запуске триггера см. ниже.) Причем параметры запускающего сигнала должны обеспечивать вывод транзисторов в активный режим работы, когда восстанавливается усиление по току у транзисторов и в течение времени опрокидывания действует положительная обратная связь между ключами.

После опрокидывания на коллекторе транзистора T₁ устанавливается отрицательный потенциал, близкий к -E_k, а на коллекторе T₂ потенциал, близкий к нулю. Конденсатор С₁‘ заряжается, a С₁» разряжается, и на базе транзистора T₁, устанавливается положительный потенциал, примерно равный Е_см, а на базе T₂ небольшой отрицательный потенциал (см. диаграмму). Новое устойчивое состояние триггера сохраняется до прихода очередного запускающего импульса.

Переходные процессы в триггере

Рассмотрим более подробно переходные процессы, происходящие в триггере при его переключении.

Вследствие инерционности транзисторов и наличия паразитных емкостей переключение триггера происходит не мгновенно, а в течение конечного промежутка времени. Характер и длительность переходного процесса переключения зависят от параметров и структуры схемы, а также от способа запуска и параметров запускающих импульсов (амплитуды, длительности, формы). Рассмотрим переходные процессы при раздельном запуске триггера.

Примем по-прежнему, что в исходном состоянии транзистор T₁ открыт и насыщен, а T₂ закрыт и пусть положительный запускающий импульс тока поступает в базу открытого транзистора. Под его действием начинается процесс рассасывания неосновных носителей в базе насыщенного транзистора и через некоторое время t_p (рис.2) этот транзистор окажется на границе насыщения. С этого момента начинает уменьшаться его коллекторный ток, что приводит к возрастанию отрицательного напряжения на коллекторе U_k1. Это вызовет снижение положительного напряжения смещения U_б2 на базе закрытого транзистора T₂. Время t_n, в течение которого положительное напряжение смещения уменьшается от начального значения до нуля, называется временем предварительного формирования отрицательного фронта на коллекторе T₁. Сумма t_p+t_n называется временем подготовки. По истечении этого времени, т.е. после достижения U_б2 = 0, транзистор T₂ открывается, восстанавливается усиление в петле положительной обратной связи, и в триггере за время t_рег происходит лавинообразный процесс опрокидывания (регенеративный процесс).

Рис.2 Диаграмма. Переходные процессы в триггере.

Действительно, при открывании транзистора T₂ появляется ток i_k2 в его коллекторной цепи. Приращение этого тока идет в базу транзистора T₁ и, складываясь с входным запирающим импульсом тока способствует запиранию транзистора T₁. Коллекторный ток i_k1 запирающегося транзистора T₁ уменьшается. Обратное приращение тока i_k1 передается в базу открывающегося транзистора T₂ вызывает его еще большее отпирание в т.д. Лавинообразный процесс заканчивается закрыванием транзистора T₁ и открыванием T₂. При этом положительная обратная связь между каскадами снова обрывается.

Длительность t_рег интервала опрокидывания составляет назначительную долю общей длительности переходного процесса. К моменту окончания опрокидывания при достаточно больших ускоряющих емкостях изменение тока базы |Δ i_б2| в отпирающемся транзисторе T₂ равно по величине изменению коллекторного тока |Δ i_k1| запирающегося транзистора T₁. Чем больше базовый ток к моменту окончания опрокидывания, тем быстрее происходит установление напряжения на коллекторе отпирающегося транзистора.

Установление напряжений и токов на коллекторах и базах транзисторов происходит в течение некоторого времени t_уст когда осуществляется перезарядка ускоряющих конденсаторов С₁.

До начала запускающего импульса конденсатор С₁‘ был разряжен, а С₁» заряжен до напряжения близкого E_k. При опрокидывании триггера конденсатор С₁‘ заряжается током, отбираемым из базы транзистора T₂ по цепи: плюс источника питания E_k, входное сопротивление транзистора T₂, конденсатор С₁‘ резистор R_k‘ минус источника E_k. Время заряда конденсатора определяется постоянной времени зарядной цепи t_зар=C₁R_k. Зарядный ток создает падение напряжения на сопротивлении R_k‘. Таким образом, нарастание отрицательного потенциала коллектора закрывающегося транзистора завершится тогда, когда прекратится зарядный ток, т.е. зарядится конденсатор С₁‘. Следовательно, время заряда конденсатора С₁‘ определяет отрицательный фронт t^(-)_ф выходного напряжения. Отрицательный фронт тем меньше, чем меньше величина ускоряющей емкости. По окончании заряда конденсатора С₁‘ базовый ток транзистора T₂ становится меньше, он определяется сопротивлениями резисторов R₁ и R₂.

Из анализа транзисторных ключей известно, что чем большим базовым током включается транзистор, тем быстрее время его включения, т.е. короче положительный фронт t⁽⁺⁾_ф (для транзисторов р-n-р типа). Очевидно также, что по мере заряда конденсатора С₁‘ зарядный ток уменьшается. Следовательно, если емкость ускоряющего конденсатора мала, то конденсатор успеет зарядиться до окончания опрокидывания триггера. Тогда базовый ток отпирающегося транзистора заметно уменьшится еще до окончания отпирания транзистора, и фронт нарастания коллекторного тока и коллекторного напряжения (положительный фронт t⁽⁺⁾_ф) увеличится. Таким образом, для уменьшения отрицательного фронта выходного напряжения нужно уменьшать емкость ускоряющих конденсаторов, а для уменьшения положительного фронта — увеличивать ее.

При опрокидывании триггера конденсатор С₁» получает возможность разрядиться по двум цепям:
а) левая обкладка С₁«, резистор R₂‘, источник смещения, сопротивление эмиттер-коллектор T₂, правая обкладка С₁«;
б) левая обкладка С₁«, сопротивление R₁«, правая обкладка С₁«. Вследствие разряда конденсатора С₁«, напряжение U_б1 на базе транзистора T₁ оказывается положительным и большим стационарного значения напряжения запирания (динамическое смещение). По мере разряда конденсатора С₁» разрядный ток убывает и U_б1 стремится к станционарному значению.

Способы запуска триггера

В зависимости от функции, выполняемой триггером, применяют два способа его запуска — раздельный и общий (или счетный). При раздельном запуске запускающие импульсы одной полярности поступают на входы (базы или коллекторы) транзисторов от двух разных источников (т. е. от одного источника запускающие импульсы поступают на вход одного транзистора, а от другого — на вход другого) (рис.3). Импульсы с одного из входов устанавливают триггер в одно из двух состояний равновесия. Если к приходу такого импульса триггер уже находится в этом состоянии, то оно не изменяется. Импульсы, подаваемые на второй вход устанавливают триггер в противоположное состояние.

Для раздельного запуска триггера требуются сравнительно короткие импульсы. Часто в качестве входного сигнала запуска используются перепады напряжений. В этих случаях формирование необходимых запускающих импульсов производится с помощью подключаемых ко входам триггера укорачивающих RC — цепей. Чтобы предотвратить срабатывание триггера от импульсов обратной полярности, возникающих на выходах укорачивающих цепей применяются диоды Дн.

При счетном запуске управляющие импульсы поступаю от общего генератора на один общий вход триггера (рис.4). При этом каждый импульс изменяет состояние триггера на противоположное.

В исходном состоянии напряжение на коллекторе насыщенного транзистора T₁ близко к нулю» диод Д_н‘ открыт, конденсатор С_у‘ разряжен. За счет высокого отрицательного потенциала закрытого транзистора T₂ передаваемого через сопротивление R_б«, диод Д_н» закрыт, а конденсатор С_у» заряжен до напряжения Е_к (в полярности, указанной на рис. 4 ). Следовательно, положительный запускающий импульс напряжения поступит только через открытый диод Д_н‘ на базу насыщенного транзистора и вызовет опрокидывание триггера.

Если действие положительного входного импульса не завершится до окончания опрокидывания триггера, то напряжение, прикладываемое к диоду Д_н«, окажется равным сумме положительного входного напряжения и отрицательного напряжения на конденсаторе С_у«. Так как обычно амплитуда входного сигнала меньше Е_к, то результирующее напряжение, приложенное к диоду Д_н» будет отрицательным, и диод попрежнему будет закрыт. По окончании входного импульса конденсатор С_у» разрядится через малое сопротивление открывшегося транзистора T₂ и внутреннее сопротивление источника запускающих импульсов, а конденсатор С_у‘ зарядится до напряжения Е_к. Диод Д_н» откроется, а Д_н‘ закроется. Очередной запускающий импульс пройдет через диод Д_н» и вызовет новое опрокидывание триггера.

Способы повышения быстродействия симметричного триггера

Быстродействие триггера как устройства, основанного на транзисторных ключах, определяется скоростью переключения выбранных транзисторных ключей.

Следовательно, основными методами повышения быстродействия триггера являются:
1) применение высокочастотных транзисторов;
2) устранение (или уменьшение) задержки выключения, обусловленной рассасыванием неосновных носителей в базе насыщенного транзистора;
3) применение специальных способов, уменьшающих время установления напряжения на коллекторах и ускоряющих конденсаторах.

С целью сокращения времени рассасываний неосновных носителей в базе применяются ненасыщенные ключи, например, за счет введения нелинейной отрицательной обратной связи через диоды Д_ос(рис.5). Ненасыщенный триггер обладает более высокой чувствительностью к запускающим импульсам, с чем связано снижение его помехоустойчивости.

Действие нелинейной обратной связи состоит в следующем. При отпирании транзистора входным током отрицательный потенциал его коллектора уменьшается. Когда он сравняется с потенциалом в точке «а», диод открывается, и часть входного тока замыкается через диод. Транзистор не входит в насыщение.

Для сокращения фронтов выходного напряжения (главным образом отрицательного фронта) может быть применена фиксация минимального коллекторного потенциала через диод Д_ф (рис.6). При отпертом транзисторе диод Д_ф заперт. При запирании транзистора отрицательное напряжение на его коллекторе растет, и когда достигает значения Е_ф, диод отпирается и фиксирует коллекторный потенциал на уровне — Д_ф. Как видно из рисунка, длительность отрицательного фронта существенно уменьшается, а положительного, как более крутого в первоначальной стадии, изменяется мало.

Влияние нагрузки на работу триггера

Обычно нагрузка R_н подключается параллельно транзистору (рис.7) и существенно влияет на работу триггера.

Если транзистор закрыт, то нагрузка приводит к снижению потенциала его коллектора (а значит, и выходного напряжения), так как напряжение Е_к делится между сопротивлениями R_к и R_н, и к уменьшению базового тока открытого транзистора. Транзистор может выйти из режима насыщения. Чтобы сохранить режим насыщения, надо уменьшать величину сопротивления резистора связи R₁.

Когда транзистор открыт, нагрузка практически не влияет на его режим работы, так как сопротивление открытого транзистора мало.

Транзисторный триггер Шмитта Принцип работы

от Dejan

•

•

Электротехника

В предыдущем уроке мы объяснили, что такое триггер Шмитта и как он работает с использованием операционных усилителей. Теперь в этом уроке мы объясним триггер Шмитта на основе транзистора.

Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать письменный учебник ниже.

Триггер Шмитта представляет собой тип логического входа, который обеспечивает гистерезис или два разных уровня порогового напряжения для нарастающего и спадающего фронта. Это полезно, потому что позволяет избежать ошибок, когда у нас есть шумные входные сигналы, из которых мы хотим получить прямоугольные сигналы. Схема транзисторного тригера Шмитта содержит два транзистора и пять резисторов. Для лучшего объяснения я назначу значения компонентам, а позже продемонстрирую и соберу эту схему на макетной плате, чтобы увидеть, как она работает на самом деле.

 

Начнем так. Предположим, что на входе Vin 0 В. Это означает, что транзистор T1 отключен и не проводит ток. С другой стороны, транзистор T2 является проводящим, потому что у нас есть напряжение около 1,98 В в узле B, поскольку мы можем рассматривать эту часть схемы как делитель напряжения и вычислять напряжение, используя эти выражения.

Таким образом, поскольку транзистор T2 является проводящим, выходное напряжение будет низким, а напряжение на эмиттере будет примерно на 0,7 В ниже, чем напряжение на базе транзистора, или примерно на 1,28 В.

Эмиттер транзистора Т1 соединен с эмиттером транзистора Т2 так, что они находятся на одном уровне напряжения 1,28 В, что означает, что транзистор Т1 включится, когда напряжение Vin на его базе будет на 0,7 В выше этого значение 1,28 В, или около 1,98 В.

Таким образом, когда мы увеличиваем вход Vin и пересекаем это значение 1,98, транзистор T1 начинает проводить. Это вызовет падение напряжения на базе транзистора T2 и отключит транзистор. Поскольку транзистор T2 больше не проводит ток, выходное напряжение становится высоким.

Далее напряжение Vin на базе транзистора Т1 начнет снижаться и закроет транзистор, когда напряжение базы будет на 0,7 В выше напряжения его эмиттера. Это произойдет, когда ток в эмиттере снизится до точки, при которой транзистор перейдет в режим прямой активности.

В этом режиме увеличится напряжение коллектора, что также увеличит напряжение на базе транзистора Т2. Это вызовет протекание небольшого количества тока через транзистор T2, что приведет к дальнейшему падению напряжения на эмиттерах и вызовет закрытие транзистора T1. В нашем случае входное напряжение Vin должно упасть примерно до 1,3 В, чтобы закрыть транзистор T1.

Вот и все. Теперь цикл повторяется снова и снова. Таким образом, мы получили два порога, верхний порог около 1,9 В и нижний порог около 1,3 В.

Демонстрация этой схемы на макетной плате и ее можно найти в конце видео, прикрепленного выше.

Рубрики Электротехника

Основы триггера Шмитта | Как работает триггер Шмитта?

В этом уроке мы узнаем о триггере Шмитта, некоторых основных реализациях с использованием транзисторов, операционных усилителей, о том, как работает триггер Шмитта, а также о нескольких важных приложениях. В предыдущем уроке мы видели, как таймер 555 можно настроить как триггер Шмитта.

Краткое описание

Введение

При работе операционного усилителя в режиме разомкнутого контура, где обратная связь не используется, например, в базовой схеме компаратора, очень большой коэффициент усиления операционного усилителя с разомкнутым контуром вызовет наименьший шум во входном напряжении для срабатывания компаратора.

Если компаратор используется в качестве детектора перехода через нуль, то такое ложное срабатывание может вызвать массу проблем. Это может дать неправильную индикацию пересечения нуля из-за пересечения нуля шумом, а не фактическим пересечением нуля входными сигналами.

Чтобы избежать такого ненужного переключения между высоким и низким состояниями выхода, используется специальная схема, называемая триггером Шмитта, которая включает положительную обратную связь.

Что такое триггер Шмитта?

Триггер Шмитта был изобретен Отто Шмиттом в начале 1930-х годов. Это электронная схема, добавляющая гистерезис к порогу перехода вход-выход с помощью положительной обратной связи. Гистерезис здесь означает, что он обеспечивает два различных пороговых уровня напряжения для нарастающего и спадающего фронта.

По сути, триггер Шмитта является бистабильным мультивибратором, и его выходной сигнал остается в любом из стабильных состояний неопределенное время. Чтобы выходной сигнал изменился из одного стабильного состояния в другое, входной сигнал должен измениться (или запуститься) соответствующим образом.

Для этой бистабильной работы триггера Шмитта требуется усилитель с положительной обратной связью (или регенеративной обратной связью) с коэффициентом усиления контура больше единицы. Следовательно, триггер Шмитта также известен как регенеративный компаратор.

Например, если у нас есть зашумленный входной сигнал, как показано выше, два порога схемы триггера Шмитта будут правильно определять импульсы. Следовательно, основной функцией триггера Шмитта является преобразование зашумленных прямоугольных, синусоидальных, треугольных или любых периодических сигналов в чистые прямоугольные импульсы с резкими передними и задними фронтами.

Триггер Шмитта с использованием транзисторов

Как уже упоминалось ранее, триггер Шмитта представляет собой бистабильную схему, состояние выхода которой контролируется входным сигналом. Следовательно, его можно использовать в качестве схемы обнаружения уровня. На следующей схеме показана простая конструкция триггера Шмитта на основе транзистора.

Несмотря на то, что эта схема выглядит как типичная схема бистабильного мультивибратора, на самом деле она отличается, поскольку в этой схеме отсутствует связь между коллектором Q ₂ и входом Q ₁ . Излучатели Q ₁ и Q ₂ соединены друг с другом и заземлены через R _E . Кроме того, R _E действует как цепь обратной связи.

Работа схемы

Когда V _IN равен нулю, Q ₁ отсечка и Q ₂ находится в состоянии насыщения. В результате выходное напряжение V _O НИЗКОЕ. Если V _CE(SAT) принимается равным 0, то напряжение на R _E определяется как:

 (V _CC * R _E ) / (R _E + R _C2 )

Это напряжение также является напряжением эмиттера Q ₁ . Таким образом, для того, чтобы Q ₁ проводил, входное напряжение V _IN должно быть больше суммы напряжения эмиттера и 0,7 В, т. е.

 V _IN = [(V _CC * R _E ) / (R _E + R _C2 )] + 0,7

Когда V _IN превышает это напряжение, Q ₁ начинает проводить ток, а Q ₂ отключается из-за регенеративного действия. В результате выход V _O становится ВЫСОКИМ. Теперь напряжение на R _E изменяется на новое значение и определяется как:

 (V _CC * R _E ) / (R _E + R _C1 )

Транзистор Q ₁ будет проводить до тех пор, пока входное напряжение V _IN больше или равно следующему: _E + R _C1 )] + 0,7

Если V _IN падает ниже этого значения, то Q ₁ выходит из насыщения, а остальная часть схемы работает за счет регенеративного действия Q ₁ , уходящего в отсечку, и Q ₂ в насыщение.

Выходные состояния ВЫСОКИЙ и НИЗКИЙ зависят от уровней входного напряжения, определяемых уравнениями:

 [(V _CC * R _E ) / (R _E + R _C1 )] + 0,7

 [(V _CC * R _E ) / (R _E + R _C2 )] + 0,7

Передаточные характеристики триггера Шмитта имеют гистерезис и зависят от нижней точки срабатывания (нижнее пороговое напряжение) и верхней точки срабатывания (верхнее пороговое напряжение), определяемых V _LT и V _UT .

 V _LT = [(V _CC * R _E ) / (R _E + R _C1 )] + 0,7

 V _UT = [(V _CC * R _E ) / (R _E + R _C2 )] + 0,7

Изменяя значения R _C1 и R _C2 , можно контролировать величину гистерезиса, а значение R _E можно использовать для увеличения верхнего порогового напряжения.

Схема триггера Шмитта на основе операционного усилителя

Поскольку схема триггера Шмитта по существу является усилителем с положительной обратной связью, эту схему можно реализовать с помощью операционных усилителей или просто операционных усилителей. В зависимости от того, где применяется вход, схемы на основе операционных усилителей можно разделить на инвертирующие и неинвертирующие триггеры Шмитта.

Схема инвертирующего триггера Шмитта

Как следует из названия, в инвертирующем триггере Шмитта вход подается на инвертирующий вывод операционного усилителя. В этом режиме выходной сигнал имеет противоположную полярность. Этот выход подается на неинвертирующую клемму для обеспечения положительной обратной связи.

Когда V _IN немного больше, чем V _REF , выход становится равным -V _SAT , а если V _IN немного меньше, чем -V _REF (более отрицательное значение, чем -V _REF ). ), то вывод становится V _SAT . Следовательно, выходное напряжение V _O равно V _SAT или -V _SAT , а входное напряжение, при котором происходят эти изменения состояния, можно контролировать с помощью R ₁ и R ₂ .

Значения V _REF и -V _REF можно сформулировать следующим образом:

 V _REF = (V _O * R ₂ ) / (R 9007 2 _{1 )}

Бут В _О = В _СБ . Следовательно,

 V _REF = (V _SAT * R ₂ ) / (R ₁ + R ₂ )

 -V _REF = (V _O * R ₂ ) / (R ₁ + R ₂ )

Бут В _О = -В _СБ . Следовательно,

 -V _REF = (-V _SAT * R ₂ ) / (R ₁ + R ₂ )

Опорные напряжения V _REF и -V _REF называются Верхнее пороговое напряжение V _UT и Нижнее пороговое напряжение V _LT . На следующем изображении показан график зависимости выходного напряжения от входного напряжения. Он также известен как передаточная характеристика триггера Шмитта.

Для чисто синусоидального входного сигнала выход схемы инвертирующего триггера Шмитта показан на следующем рисунке.

Цепь неинвертирующего триггера Шмитта

Переходя к неинвертирующему триггеру Шмитта, вход в этом случае подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Выходное напряжение подается обратно на неинвертирующую клемму через резистор R ₁ .

Предположим, что первоначально выходное напряжение составляет В _СБ . Пока V _IN не станет меньше, чем V _LT , выходной сигнал остается на этом уровне насыщения. Как только входное напряжение пересекает нижний пороговый уровень напряжения, выходное состояние изменяется на -V _SAT .

Выход остается в этом состоянии до тех пор, пока входное напряжение не превысит верхний порог.