Триггер шмидта как работает

Триггер Шмитта

Триггер Шмитта — один из представителей большого семейства схем, объединённых названием триггер. Слово «триггер» переводится как «спусковой крючок», и обозначает устройство, способное находится в двух устойчивых состояниях, и менять эти состояния под действием внешних сигналов.

Триггер Шмитта назван в честь изобретателя, Отто Герберта Шмитта, который сконструировал это устройство на электровакуумных триодах в 1934 году. С тех пор придумано множество вариантов реализации данной схемы, а сама она широко применяется во всевозможных электронных устройствах.

Краткое содержание статьи:

• Принцип работы триггера Шмитта. Пороги переключения и гистерезис
• Схема на транзисторах
• Реализация на операционном усилителе
• Реализация на логических элементах
• Прецизионный триггер Шмитта без ПОС
• Пример применения: устранение дребезга контактов

Принцип работы

У классического триггера Шмитта один вход и один выход. И, как и положено триггеру, два состояния: на выходе 0 (низкий потенциал) или 1 (высокий потенциал).

На вход может поступать аналоговый сигнал сложной формы. При достижении определённого порога на входе триггер переключается из одного состояния в другое.

Но главная его особенность — наличие гистерезиса, то есть порог переключения зависит от текущего состояния самого триггера.

Допустим, наш триггер изначально в состоянии 0, и мы начинаем плавно поднимать напряжение на входе. При достижении порога U₁ триггер переключится в состояние 1. И теперь, чтобы вернуть его в состояние 0, уже недостаточно опустить входное напряжение ниже U₁, переключение произойдёт только при значительно меньшем напряжении U₀. Для большей наглядности посмотрите вот эти графики:

График входного и выходного сигналов триггера Шмитта

Ну, а если нарисовать график зависимости выходного сигнала от входного, то получится как раз такая симпатичная петелька гистерезиса ⎎. Если вы увидите такое обозначение на схеме, скорее всего, где-то там скрывается триггер Шмитта.

Схема триггера Шмитта на транзисторах

Давайте перейдём к практике и соберём вот такую простенькую схему, чтобы поэкспериментировать с триггером Шмитта (картинки можно кликать для увеличения).

Схема триггера Шмитта на транзисторах

R_вх здесь у нас имитирует входной сигнал: вращая ручку резистора, можно подавать на вход разные напряжения. Ну а чтобы наглядно увидеть работу триггера, в коллекторную цепь второго транзистора включён светодиод, который горит, если транзистор открыт.

В исходном состоянии (на входе нет сигнала) транзистор Т₁ закрыт. При этом на базе Т₂ оказывается почти половина напряжения питания — через делитель R₂-R₄-R₅. T₂ открыт, светодиод горит, а на выходе низкий потенциал.

Триггер в состоянии «ноль»

Если мы начнём поднимать напряжение на входе, в какой-то момент оно окажется достаточным, чтобы открылся T₁. Тем самым он фактически зашунтирует R₄-R₅, потенциал на базе T₂ резко упадёт и он закроется. Светодиод погаснет, а на коллекторе появится высокий уровень (1).

Триггер в состоянии «единица»

Откуда же в этой схеме берётся гистерезис? Всё дело в резисторе R₃, который осуществляет положительную обратную связь. Какой бы из транзисторов ни был открыт, его ток течёт через R₃. Но, для этой схемы очень важно, что коллекторная нагрузка Т₂ меньше нагрузки T₁. То есть суммарное сопротивление R₆ и светодиода меньше, чем R₂. А, значит, когда открыт Т₂, через R₃ течёт больший ток, чем когда открыт T₁. Соответственно, и падение напряжение на R₃ больше, когда триггер в состоянии 0.

Это напряжение приложено плюсом к эмиттеру T₁, оно мешает ему открываться, т. к. уменьшает разницу потенциалов между базой и эмиттером. Вот и получается, что для перекидывания триггера из 0 в 1 нужно приложить большее напряжение к базе T₁. А обратное переключение происходит при более низком входном напряжении, т. к. в этот момент плюс на эмиттере поменьше. Фактические напряжения, которые я измерил в работающей схеме, отмечены на рисунках выше. Пороги переключения U₀ и U₁ у меня получились, соответственно, 1.78 и 1.94 В.

Схема собрана на макетной плате

Ну и конечно, параметры триггера (пороги срабатывания) можно менять, подбирая номиналы резисторов.

Улучшения схемы

Иногда в подобных схемах ставят ещё конденсатор параллельно R4. Это так называемый ускоряющий конденсатор.

Вариант схемы с ускоряющим конденсатором

Когда триггер в стабильном состоянии, на конденсаторе постоянное напряжение и он не оказывает влияние на токи. Но, в момент переключения, когда происходит резкий скачок напряжений, в первый момент конденсатор имеет близкое к нулевому сопротивление и тем самым обеспечивает резкое изменение тока базы Т₂, который затем плавно «устаканивается» до стабильного значения. Тем самым ускоряется переключение транзистора Т₂. Это может иметь значение, если планируется работа схемы на высоких частотах, где время переходных процессов в транзисторе может начать играть заметную роль.

Также можно встретить дополнительный буферный транзистор между T₂ и T₁, включённый по схеме эмиттерного повторителя. Он нужен, чтобы снизить влияние T₁ и T₂ друг на друга, а также получить большую чувствительность схемы.

Добавляем в схему буферный каскад

Реализация триггера Шмитта на операционном усилителе

Два примера схемы на операционном усилителе:

Триггер Шмитта на операционном усилителе: с двухполярным питанием (слева) и однополярным (справа)

На рисунке приведены два варианта: с двухполярным и с однополярным источником питания. В первом случае порог срабатывания одинаковый по модулю, но с разным знаком. Во втором случае пороги зависят от соотношения резисторов. Но, в обеих схемах часть выходного сигнала попадает на вход через резистор положительной обратной связи R_ос, тем самым смещая порог срабатывания.

Обратите внимание, что однополярный вариант схемы получился инвертирующим: когда на входе высокий сигнал, на выходе низкий, и наоборот. Дело в том, что мы подаём входной сигнал на инвертирующий вход, поэтому «шиворот на выворот».

Кстати, в данную схему можно добавить ограничитель выходного напряжения. Это стабилитрон, через который осуществляется отрицательная обратная связь. Включается он таким вот образом:

Триггер Шмитта с ограничителем выходного напряжения

Это решение полезно, если необходимо согласовать высокие напряжения предыдущего каскада и низкие следующиего. Например, на входе может быть до 15 вольт от автомобильной электроники, а на выходе ТТЛ микросхема, притающаяся от 5 Вольт.

Триггер Шмитта на логических элементах

Далее приведена схема на логических элементах, принцип работы тот же самый: положительная обратная связь с выхода на вход, так что потенциал на выходе влияет на порог для входа.

Схема триггера Шмитта на логических элементах

Прецизионный триггер с задаваемыми порогами

Чуть более сложная схема, позволяющая регулировать верхний и нижний порог независимо, и даже при необходимости менять их прямо во время работы устройства. Что характерно, здесь нет положительной обратной связи.

Триггер Шмитта без ПОС

На схеме мы видим два отдельных компаратора, которые управляют работой асинхронного RS-триггера. Для работы схемы необходимо на входы U₀ и U₁ подать соответствующие пороговые напряжения.

Тогда весь диапазон входного сигнала можно поделить на три части.

• Когда U_вх< U₀, компаратор К2 выдаёт 1, которая попадает на R-вход триггера и переключает его в нулевое состояние.
• Когда U₀< U_вх< U₁, на выходе обоих компараторов нули, и триггер хранит предыдущее состояние, каким бы оно ни было.
• Наконец, когда U_вх > U₁, единица появляется на выходе только первого компаратора, и перекидывает RS-триггер в состояние «1».

Применение триггера Шмитта

Триггер Шмитта используется там, где нужно хаотично меняющийся аналоговый сигнал преобразовать в приемлемые для машинной логики нули и единицы. Например, восстановить искаженный шумами цифровой сигнал.

Классический пример — устранение дребезга контактов. Рассмотрим его подробнее, как весьма часто встречающийся в электронной практике.

Когда нажимается обычная кнопка, в сам момент переключения контакт может много раз за доли секунды возникать и снова разрываться, пока состояние выключателя не стабилизируется. Происходит это в силу чисто механических причин и может привести к непредсказуемым результатам: схема, которая «считывает» сигнал с кнопки, воспримет это как множество быстрых включений/выключений.

Иногда дребезг контактов устраняют программно. Но, если это невозможно, на помощь может прийти вот такая простенькая схемка.

Схема устранения дребезга контактов с помощью триггера Шмитта

Конденсатор сгладит пульсации, а триггер Шмитта превратит всё в аккуратный прямоугольный импульс с крутым фронтом.

Поделиться в соцсетях:

Комментарии (5)

27 декабря 2023 — FFA

Автору благодарность за понятное разъяснение работы схемы.

КМОП-триггер Шмитта — уникальный универсальный компонент конструкции

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.
Схема триггера Шмитта находит применение в самом широком спектре приложений, как аналоговых, так и цифровых. В интегральном исполнении логические элементы с триггерами Шмитта выпускаются во многих сериях. Такие элементы входят в состав как ТТЛШ (К531, К555, КР1533), так и КМОП-серий (КР1554, КР1564, КР1594 и др.). Универсальность ТТЛШ-триггера Шмитта ограничена узким диапазоном питающих напряжений (обычно 4,5 — 5,5 В), ограниченными возможностями согласования по уровням напряжения с другими сериями, низким входным сопротивлением и несбалансированной выходной характеристикой. Вообще говоря, триггер Шмитта может быть выполнен и на дискретных элементах (транзисторах, диодах, резисторах и т.д.), но если требуется найти компромиссное решение по нескольким параметрам одновременно, то это уже будет не простая задача. Кроме того, технология производства микроэлектронных изделий позволяет изготовить на одном кристалле несколько (обычно 4 — 6) триггеров Шмитта с практически одинаковыми параметрами. Триггер Шмитта, изготовленный по КМОП технологии, по сравнению с ТТЛШ-триггером Шмитта, обладает целым рядом преимуществ. Поэтому он используется в тех приложениях, где последний окажется неработоспособен. Эти приложения включают: согласование операционных усилителей с цифровыми схемами, передача и прием сигналов при работе на длинные линии, схемы преобразователей уровня и некоторые другие. Триггер Шмитта, выполненный по КМОП технологии имеет следующие преимущества:

• Высокое входное сопротивление (1012 Ом);
• Сбалансированные входные и выходные характеристики;
• Пороговое напряжение симметрично относительно половины питающего напряжения;
• Практически одинаковые вытекающий и втекающий выходные токи;
• Амплитуда выходного напряжения практически равна напряжению источника питания;
• Изменение порогового напряжения мало зависит от температуры;
• Широкий диапазон питающих напряжений (3 —15 В для серий К561 и КР1561);
• Возможность применения в схемах с двуполярным питанием;
• Низкое энергопотребление, даже в моменты переключения;
• Высокая помехоустойчивость.

АНАЛИЗ ТИПОВОЙ СХЕМЫ ТРИГГЕРА ШМИТТА.

Типовая схема логического элемента (на примере инвертора), построенного на базе триггера Шмитта, приведена на рис. 1. Рассмотрим принцип его работы, считая, что в начальный момент времени на вход “Input” подан нулевой потенциал напряжения.

В этом случае транзисторы VT1 и VT2 полностью открыты, а VT3, VT4 и VT5 — закрыты. Напряжение в точке “OUTint” практически равно напряжению источника питания. При этом VT6 открыт и работает как истоковый повторитель. Напряжение в точке соединения стока VT4, истока VT3, а также стока VT6 равно разности питающего напряжения и падения напряжения на сопротивлении канала транзистора VT6. Поскольку оба транзистора VT3 и VT4 в начальный момент времени закрыты, напряжение в указанной точке равно питающему. Если начать увеличивать напряжение на входе, а значит, и на затворах VT1, VT2, VT3, VT4, то при достижении порогового напряжения транзистора VT4, он начинает приоткрываться. При этом оба включенных транзистора VT4 и VT6 образуют делитель напряжения с потенциалом в точке их соединения равным половине питающего напряжения. Соответственно, этот потенциал “привязывает” исток транзистора VT3 к половине питающего напряжения. Когда входное напряжение начинает превышать половину питающего на величину порогового напряжения открывания транзистора VT3 этот транзистор начинает приоткрываться, инициируя тем самым процесс переключения всей схемы. Начиная с этого момента, даже незначительное приращение входного напряжения приведет к резкому снижению напряжения в точке “OUTint” до нуля. Когда напряжение в точке “OUTint” падает, истоковый повторитель VT6 закрывается, и напряжение на его стоке (точка соединения VT3, VT4, VT6) уменьшается, следуя за напряжением на затворе. Влияние VT6 в цепочке делителя напряжения VT4-VT6 снижается до нуля, приводя к еще более резкому спаду напряжения в точке “OUTint”. В это же время начинает приоткрываться транзистор VT5, поскольку потенциал на его затворе (в точке “OUTint”) быстро снижается. Открывание VT5 приводит к установке на истоке транзистора VT2 потенциала, близкого к нулевому, поэтому последний закрывается. В момент закрывания VT2, потенциал в точке “OUTint” лавинообразно снижается до нуля. Лавинообразное переключение схемы происходит благодаря единичному коэффициенту петли обратной связи, образуемой транзисторами истоковых повторителей.

Когда входное напряжение изменяется в обратном направлении — от питания до нуля, аналогичный процесс происходит с верхней секцией транзисторного каскада, и лавинообразное переключение происходит при достижении нижнего значения порогового напряжения. Инверторы, собранные на транзисторах VT7, VT8 и VT9, VT10 образуют защелку, которая стабилизирует потенциал в точке “OUTint”. Буферный инвертор на транзисторах VT11, VT12 предназначен для повышения нагрузочной способности триггера. Типичные передаточные характеристики показаны на рис. 2 и границы верхнего и нижнего гарантированных диапазонов допустимой ошибки на рис. 3.

ПРЕИМУЩЕСТВА ГИСТЕРЕЗИСА.
Гистерезисом называется различие в ответной реакции схемы под воздействием входного напряжения. Шумовой сигнал, который превышает пороговое напряжение переключения компаратора, может вызывать многократное переключение его выхода, если время ответной реакции компаратора меньше, чем время между ложными воздействиями сигнала. Триггер Шмитта имеет два порога компарации: амплитуда любого сигнала помехи должна превышать разницу пороговых напряжений для того, чтобы произошло многократное переключение состояния триггера. Для КМОП-триггера Шмитта при напряжении питания VDD=10 В, типовое значение разницы пороговых напряжений составляет 3,6 В, которого вполне достаточно, чтобы преодолеть воздействие практически любого ложного сигнала помехи на входе.

Компаратор, построенный на основе КМОП-триггера Шмитта, находит широкое применение для восстановления строго прямоугольной формы сигнала, транслируемого по длинной несогласованной линии связи. Пороговое напряжение компаратора задается равным половине амплитуды входного сигнала (рис. 4б). Это делается для того, чтобы предотвратить искажение длительности сигнала. Если по линии передачи транслируется импульс длительностью 4 мкс, то и на приемной стороне должен быть восстановлен импульс точно такой же длительности, иначе произойдет искажение сигнала. Если компаратор имеет пороговое напряжение выше половины уровня амплитуды сигнала, это приводит к уменьшению длительности положительных импульсов, и увеличению длительности отрицательных (рис. 4в). Это называется искажением вследствие расщепления уровней входного сигнала. Триггер Шмитта имеет как положительное VT+, так и отрицательное VT- смещение уровня порогового напряжения. Для КМОП-триггера Шмитта эти значения приблизительно симметричны относительно половины уровня амплитуды сигнала, поэтому длительность импульса равная 4 мкс в точности восстанавливается (рис. 4г). Несмотря на то, что восстановленный импульс получает задержку по времени, его длительность остается неизменной. Таким образом, обеспечивается высокая помехоустойчивость, и, благодаря наличию гистерезиса, искажения сигнала не происходит.

ПРИМЕНЕНИЕ КМОП-ТРИГГЕРА ШМИТТА.
Большинство примеров, приведенных далее, показывают, как используется КМОП-триггер Шмитта, чтобы упростить конструкцию или улучшить производительность. Некоторые схемотехнические решения невозможно построить с использованием триггеров Шмитта других серий, кроме КМОП.

На рис. 5а представлена типичная схема преобразователя сигнала синусоидальной формы в прямоугольные импульсы. Благодаря симметрии порогового напряжения относительно половины питающего напряжения, для такого триггера можно легко сформировать опорный потенциал с помощью двух резисторов. Высокое входное сопротивление упрощает выбор номиналов резисторов и развязывающего конденсатора. Поскольку КМОП имеют широкий диапазон питающих напряжений, КМОП-триггер Шмитта может работать в системе с двуполярным питанием (рис. 5б). Это привязывает середину порогового напряжению к нулю и позволяет подключить вход триггера Шмитта непосредственно к выходу операционного усилителя без развязывающего конденсатора.

На рис. 6 показан преобразователь “частота-напряжение”, который может работать с управляющим сигналом различной формы. Несмотря на то, что энергия колебаний различной формы отличается, выходное напряжение преобразователя зависит только от частоты колебаний. Поскольку амплитуда выходного сигнала КМОП-триггера Шмитта практически равна напряжению источника питания, постоянный размах сигнала, прикладываемый к обкладкам конденсатора C1, вызывает протекание тока через конденсатор, который зависит только от частоты. Положительная полуволна напряжения с выхода конденсатора через диод D1 закорачивается на общий провод. Отрицательная полуволна напряжения вызывает протекание тока инвертирующего входа операционного усилителя через диод D2 и преобразование его в среднее значение напряжения интегрирующей цепочкой C2-R2.

Поскольку амплитуда выходного напряжения КМОП-триггера Шмитта практически равна напряжению источника питания, то напряжение, прикладываемое к С2, равно напряжению источника питания.

Триггеры Шмитта находят широкое применение, когда из медленно изменяющегося входного сигнала необходимо сформировать прямоугольный импульс с большой крутизной нарастания напряжения. На рис. 7 показана типичная схема светового сенсора или ключа, управляемого светом. Высокое входное сопротивление КМОП-триггера Шмитта упрощает подачу напряжения начального смещения. Большинство фоторезисторов имеют темновое сопротивление порядка нескольких МОм и порядка нескольких КОм при ярком освещении. Поскольку КМОП схема имеет входное сопротивление порядка 1012 Ом, изменение выходного напряжения не оказывает никакого влияния на входной каскад. Поэтому, при выборе сопротивления резистивного делителя, входным сопротивлением КМОП-триггера Шмитта можно пренебречь.

Еще одним случаем применения КМОП-триггера Шмитта является простейший RC-генератор (рис. 8), построенный всего из трех элементов. Таким образом, с использованием одной микросхемы КР1564ТЛ2, содержащей шесть одинаковых триггеров Шмитта, можно построить шесть экономичных RC-генераторов. Скважность выходных прямоугольных импульсов близка к двум, благодаря хорошо сбалансированным входным и выходным характеристикам КМОП-схемы. Уравнение выходной частоты предполагает, что t1 = t2 ≥ t pd0 + t pd1.

Ранее мы видели, каким образом с помощью КМОП-триггера Шмитта повышается помехоустойчивость несбалансированной линии передачи. Рис. 9 показывает применение триггера Шмитта для сбалансированной или дифференциальной линии передачи. На рис. 9а показан элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, входящий в состав микросхемы КР1564ЛП5 (74HC86), который также может быть построен на элементах И-НЕ микросхемы КР1564ЛА3 (74HC00). Если на линии появляется несбалансированный сигнал помехи, генерируемый в результате интерференционного взаимодействия или воздействия внешних источников шума, данная схема формирует сигнал ошибки.

Схема на рис. 9б представляет собой дифференциальный приемник сигнала, который восстанавливает сбалансированные передаваемые данные, но игнорирует несбалансированный сигнал. Если схемы, приведенные на рис. 9, использовать совместно, то детектор ошибки мог бы сигнализировать передатчику о необходимости приостановки передачи данных до момента восстановления сбалансированного сигнала. В это время приемник сигнала мог бы помнить последние правильно принятые данные, пока несбалансированный сигнал присутствует на линии. Когда сбалансированный сигнал восстанавливается, приемник начинает принимать уже правильные данные с того места, где произошел сбой.

Благодаря наличию ограничительных защитных диодов во входной цепи, стандартный диапазон входного напряжения для КМОП-триггера Шмитта составляет от GND — 0,3 В до VDD + 0,3 В. Любое превышение входным напряжением указанных значений вызывает резкое возрастание тока через ограничительные диоды. Для практического применения желательно иметь диапазон входного напряжения во много раз больше указанного значения. К примеру, линии передачи часто работаю при напряжении ±12 В, а операционные усилители ±15В. Решением этой проблемы является применение специальной защитной цепи на входе триггера Шмитта. Это позволяет подавать на входы напряжение +25 В выше уровня питания и -25 В ниже уровня земли. В таком случае схему преобразователя формы сигнала (рис. 6б) можно питать напряжением ±1,5 В и подключать непосредственно к выходу операционного усилителя, имеющего диапазон питающих напряжений ±15 В.

Типовая и усовершенствованная схемы входной защиты показаны на рис. 10. Показанные на схеме диоды имеют обратное пробивное напряжение порядка 35В. Положительное входное напряжение может достигать такого значения, при котором еще не происходит пробоя обратно смещенного диода D2 и прямо смещенного D3, что в сумме составляет около 35В. Отрицательное входное напряжение может достигать значения, не превышающего суммарное напряжение пробоя обратно смещенного диода D1 и прямосмещенного D2, что в сумме также составляет около 35В. Также обеспечивается необходимая защита от разряда статического электричества.

КМОП схема может иметь линейные характеристики в широком диапазоне напряжений, если правильно рассчитана цепь формирования управляющего опорного потенциала. На рис. 11 показана простая схема генератора прямоугольных импульсов, управляемого напряжением. КМОП-инвертор используется в качестве интегратора, а КМОП-триггер Шмитта, — в качестве компаратора с гистерезисом. Инвертор интегрирует положительную разницу между пороговым и входным уровнями напряжения VIN.

На выходе инвертора формируется линейно нарастающее напряжение до момента достижения положительного порога триггера Шмитта. В этот момент, выход триггера Шмитта переключается в нулевое состояние, открывая транзистор через RS и ускоряя перезарядку конденсатора CS. Гистерезис удерживает выход в состоянии нуля до момента разрядки интегрирующего конденсатора C через резистор RD. Резистор RD должен быть намного меньшего номинала, чем RC, чтобы время сброса было незначительным. Выходная частота определяется следующим выражением:

Зависимость частоты от управляющего напряжения определяется производной по входному напряжению. Следовательно:

где знак “-” указывает на то, что выходная частота возрастает когда входное управляющее напряжение уменьшается относительно порогового напряжения инвертора. Выходная частота принимает максимальное значение, когда входное напряжение равно нулю, и уменьшается с ростом входного напряжения. Генерация колебаний прекращается при достижении управляющим напряжением 0,55VDD. Выходные импульсы генератора достаточно короткие, поскольку время сброса значительно меньше времени интегрирования.

С использованием триггера Шмитта можно строить простые удлинители импульсов. Схема одновибратора или ждущего мультивибратора, предназначенного для удлинения импульсов, показана на рис. 12. Положительный импульс, переключающий инвертор, вызывает появление на его выходе короткого отрицательного импульса, разряжающего конденсатор через диод D1. Это приводит к переключению триггера Шмитта в единичное состояние. Конденсатор должен быть достаточно малой емкости, чтобы за время действия короткого импульса выходной ток инвертора мог бы его полностью разрядить.

где ΔV=VDD для КМОП инвертора и ΔT — длительность входного импульса. Для каждого входного импульса, длительностью короче 100 нс, конденсатор может быть исключен, и резистор большого номинала образует с входной емкостью КМОП-триггера Шмитта интегрирующую RC-цепочку. Далее, когда на входе инвертора устанавливается нулевой потенциал, блокирующий диод предотвращает заряд конденсатора выходным током инвертора, и заряд происходит уже через подтягивающий резистор. Когда входное напряжение триггера Шмитта достигнет верхнего порога VT+, триггер переключится в нулевое состояние спустя некоторое время после завершения входного отрицательного импульса. Таким образом, достигается увеличение длительности импульсов.

ПРЕИМУЩЕСТВА ТРИГГЕРА ШМИТТА.
Триггер Шмитта, построенный с использованием дискретных элементов, схемотехнически достаточно сложное устройство. Впервые триггер Шмитта в интегральном исполнении был реализован в ТТЛ-сериях. Но относительно большие входные токи и несимметричность входных характеристик усложняют конструирование схем с использованием таких триггеров. Втекающий выходной ток уровня логического нуля значительно больше, чем вытекающий ток уровня логической единицы. Это приводит к отличию формы импульсов от меандра с коэффициентом заполнения 50%. Кроме того, узкий диапазон питающих напряжений затрудняет применение в схемах с напряжением питания отличным от 5 В, а также в схемах с двуполярным питанием.

КМОП-триггер Шмитта имеет очень высокое входное сопротивление с пороговыми напряжениями приблизительно симметричными относительно половины питающего напряжения. Допустима подача входного сигнала с амплитудой, превышающей диапазон питающего напряжения. Выходные токи уровней логического нуля и единицы практически одинаковы. Также амплитуда выходного сигнала практически равна напряжению источника питания. Такие преимущества КМОП-триггера Шмитта, как большая разница пороговых напряжений, широкий диапазон питающих напряжений, низкое энергопотребление, одинаковые характеристики изделий в пределах одной партии, делают триггер Шмитта уникальным универсальным компонентом для радиоэлектронных конструкций. Триггер Шмитта находит применение в интерфейсных схемах для согласования сигналов, восстановления уровней, подавления сигналов помех в условиях повышенного уровня шумов, детектирования уровней, благодаря наличию гистерезиса, преобразования уровней между логическими схемами различных семейств и во многих других приложениях. Применение КМОП-триггера Шмитта это еще один шаг к дизайну, ограниченному только воображением разработчика.

Триггер Шмитта — общее представление

В ходе проектирования импульсной схемы, у разработчика может возникнуть потребность в пороговом устройстве, которое могло бы из подаваемого на его вход сигнала непрямоугольной формы (например пилообразного или синусоидального) формировать на выходе чистый прямоугольный сигнал с определенными значениями высокого и низкого уровней напряжения.

На данную роль хорошо подходит триггер Шмитта, — схема, обладающая парой стабильных выходных состояний, которые под действием входного сигнала сменяют друг друга скачком, то есть на выходе получается именно прямоугольный сигнал.

Характерная особенность триггера Шмитта заключается в наличии определенного диапазона между уровнями напряжений для входного сигнала, при выходе напряжения входного сигнала за который происходит переключение на выходе данного триггера с низкого уровня — на высокий и наоборот.

Данное свойство триггера Шмитта называется гистерезисом, а участок характеристики между пороговыми входными значениями — областью гистерезиса. Разница между верхним и нижним пороговыми значениями для входа триггера Шмитта определяет ширину области его гистерезиса, которая служит мерой чувствительности триггера. Чем шире область гистерезиса — тем менее чувствителен триггер Шмитта, чем уже область гистерезиса — тем его чувствительность выше.

Триггеры Шмитта выпускаются в виде специализированных микросхем, где внутри одного корпуса может находиться сразу несколько отдельных триггеров. Такие микросхемы имеют определенный нормированный порог переключения, и дают крутые фронты на выходе, несмотря на далекую от прямоугольной форму входного сигнала. Кроме того, триггер Шмитта может быть построен и на базе логических элементов, в этом случае у разработчика появляется возможность очень точно задать и настроить ширину области гистерезиса своего порогового устройства.

Обратим внимание на рисунок, и более внимательно рассмотрим принцип работы триггера Шмитта.

Здесь представлено схематическое изображение элемента триггера, а также его передаточная и временная характеристики. Как видим, при уровне входного сигнала Uвх ниже нижнего порога срабатывания Uпор.н, на выходе триггера Шмитта — тоже, соответственно, напряжение низкого уровня U0, близкое к нулю.

В процессе нарастания напряжения входного сигнала Uвх, его значение сначала достигает нижней границы области гистерезиса Uпор.н, нижнего порога, при этом на выходе как и прежде ничего не изменяется. И даже когда входное напряжение Uвх заходит в область гистерезиса, и в течение некоторого времени находится внутри нее, то на выходе все равно ничего не происходит — на выходе по-прежнему напряжение низкого уровня U0.

Но как только уровень входного напряжения Uвх сравнивается с верхним порогом области гистерезиса Uпор.в (области срабатывания) — выход триггера скачком переходит в состояние высокого уровня напряжения U1. Если входное напряжение Uвх будет продолжать нарастать дальше (в пределах допустимого для микросхемы), выходное напряжение Uвых изменяться уже не будет, так как достигнуто одно из двух устойчивых состояний — высокий уровень U1.

Теперь, допустим, что входное напряжение Uвх стало снижаться. При возврате в область гистерезиса изменений на выходе не происходит, уровень по-прежнему высокий U1. Но как только напряжение входного сигнала Uвх сравняется с нижней границей области гистерезиса Uпон.н — выход триггера Шмитта скачком перейдет в состояние с напряжением низкого уровня U0. На этом основана работа триггера Шмитта.

Иногда оказываются полезными триггеры Шмитта, где внутри микросхемы реализован логический элемент «И», а на выходе установлен инвертор «НЕ» (инвертирующий триггер Шмитта). В этом случае передаточная характеристика будет выглядеть наоборот: когда напряжение выходит за верхнюю границу области гистерезиса — на выходе триггера Шмитта появляется низкий уровень, а когда возвращается ниже области гистерезиса — на выходе появится высокий уровень. Это практически элемент И-НЕ с гистерезисом.

Триггер Шмитта может быть собран и на операционном усилителе (ОУ). Давайте рассмотрим один из вариантов его реализации в общих чертах. Инвертирующий вход ОУ заземляется, а входной сигнал подается через резистор R1 на неинвертирующий вход ОУ. Выход ОУ по цепочке обратной связи через резистор R2 соединяется с неинвертирующим входом ОУ. Прямоугольное напряжение снимается с выхода ОУ.

Напряжение на выходе операционного усилителя традиционно определяется по формуле Uвых=K*Uа. Обычно Uвых.макс равно напряжению питания ОУ (обозначим его буковй E), а K – коэффициент усиления ОУ, имеет порядок 1000000. Напряжение на выходе может изменяться от +E до -E. Здесь мы не будем вдаваться в особые подробности, и для упрощения понимания рассмотрим яркий пример, где входной резистор и резистор в цепи обратной связи равны между собой: R1=R2.

Итак, в самом начале, когда Uвх=0, следовательно и Ua=0, тогда и Uвых=0, так как напряжение на неинвертирующем входе ОУ не превышает напряжения на его инвертирующем входе.

Если теперь Uвх немного увеличить, то немного увеличится и Ua. Тогда Uвых сильно увеличится (в соответствии с величиной К), поскольку напряжение на неинвертирующем входе ОУ станет превышать напряжение на его инвертирующем входе, который, как мы решили, заземлен. Тогда, за счет того что точка Ua находится между резисторами, включенными согласно приведенной схеме, в точке Ua напряжение сильно увеличится, оно станет равно примерно Uвых/2, и благодаря лавине положительной обратной связи, на выходе ОУ появится устойчивое напряжение Uвых (равное напряжению питания ОУ = E). Таким образом ОУ перешел в устойчивое состояние с высоким уровнем напряжения на выходе. При этом Ua=(E+Uвх)/2.

Если в этом состоянии начать уменьшать Uвх, то даже когда оно станет равным нулю, то в точке Ua все равно будет E/2, и на выходе ОУ все равно будет напряжение высокого уровня Uвых=E.

Только когда Uвх станет равно -E, только тогда Uа станет равно нулю, и выход ОУ перейдет в состояние с низким уровнем напряжения (-E). В этом случае опять возникнет лавина обратной связи — теперь Uвых=-E, Ua = (Uвх-Е)/2, а это много ниже чем на неинвертирующем входе ОУ. Триггер перешел в устойчивое состояние с низким уровнем на выходе. Чтобы теперь выход ОУ обратно перешел в высокое состояние, необходимо, чтобы Uвх вновь стало равно E, что вызовет очередную лавину обратной связи. Возврата в нулевую точку больше не произойдет.

• Простая RC-цепь для задержки прямоугольных импульсов
• Драйвер полевого транзистора из дискретных компонентов
• Выбор драйвера для MOSFET (пример расчета по параметрам)

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника

Подписывайтесь на канал в Telegram про электронику для профессионалов и любителей: Практическая электроника на каждый день

Поделитесь этой статьей с друзьями:

Триггер Шмитта на транзисторах

В этом небольшом, но крайне полезном, с развивающей точки зрения, материале, проведем несколько экспериментов с триггером Шмитта, собранном для лучшего понимания на биполярных транзисторах (о микросхемных мы рассказывали тут).

Это классическая схема триггера Шмитта с эмиттерной связью. Напомним, что триггер Шмитта представляет собой схему сравнения с гистерезисом. Его выход имеет высокий уровень когда входной сигнал превышает верхний порог, и низкий уровень когда входной сигнал падает ниже нижнего порога. Возникающий гистерезис сводит на нет влияние шума (или слабых колебаний) на входной сигнал. Назван в честь ученого Отто Герберта Шмитта (1913-1998).

Хотя автономные триггеры Шмитта часто строятся из компараторов, базовый триггер может быть реализован с помощью дискретных компонентов. В реальности аналоговый входной сигнал может медленно изменяться во времени, поэтому периоды перехода между высокими и низкими значениями могут быть недостаточно быстрыми. Но эта схема будет действовать как компаратор с гистерезисом, чьи пороги для установки высокого или низкого уровня выхода будут определяться параметрами проекта.

Другими словами, подача напряжения на вход схемы, которое может установить Q1 в состояние насыщения, установит выход на Vcc (высокий уровень), в то время как подача входного напряжения которое может отключить Q1, снизит выход почти до нуля.

Имейте в виду, что эта схема также обеспечивает некоторый гистерезис, поскольку пороги перехода от низкого к высокому и от высокого к низкому устанавливаются при разных входных напряжениях, что предотвращает потенциальное наличие нескольких переключений на выходе, когда входное напряжение близко к порогу, если бы порог был одинаковым как в событиях от низкого к высокому, так и от высокого к низкому. Теперь поэкспериментируем с приведенной схемой, используя перечисленные ниже компоненты.

• R1 = 22 кОм
• R2 = 1 кОм
• R3 = 1 кОм
• R4 = 22 Ом
• Q1 и Q2 = 2N2222

Полезное на сайте:
СТАНОК ДЛЯ СВЕРЛЕНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Что следует иметь в виду:

1. Когда на входе высокий уровень: Q1 включен, Q2 выключен, а выход высокий.
2. Когда вход низкий: Q1 выключен, Q2 включен, а выход низкий.

Порог включения/выключения Q1 зависит от падения напряжения на резисторе R4 с общим эмиттером. Другими словами, гистерезис между верхним (включено) и нижним (выключено) порогами определяется дифференциальным падением напряжения R4.

Представьте, что вход близок к 0 В. Тогда Q1 не имеет базового тока, поэтому он выключен. Но Q2 потребляет базовый ток, хотя R2 включен и насыщен (его напряжение коллектор-эмиттер близко к нулю), и в результате выходное напряжение находится около 0 В (низкое).

Далее входное напряжение начинает увеличиваться. Поскольку напряжение эмиттера Q1 удерживается постоянным током, протекающим через Q2, когда входное напряжение достигает примерно 600 мВ выше этого уровня напряжения, Q1 потребляет некоторый базовый ток и начинает включаться.

При этом Q1 начинает отбирать ток базы Q2, поэтому Q2 начинает выключаться, и поэтому его эмиттерное напряжение начинает падать. Но это повышает напряжение база-эмиттер Q1, поэтому Q1 включается быстрее. Положительная обратная связь переводит схему в состояние, в котором Q1 включен (и насыщен), а Q2 выключен. Выходное напряжение теперь близко к Vcc (высокому потенциалу).

Наконец, предположим, что входные данные начинают возвращаться к нулю. Напряжение эмиттера Q1 теперь определяется его собственным током эмиттера. Когда входное напряжение упадет примерно на 600 мВ выше этого значения, Q1 начнет выключаться, и это позволит Q2 снова начать включаться, добавляя свой собственный ток эмиттера к Q1 и, таким образом, подталкивая напряжение эмиттера вверх. Это заставляет Q1 выключаться быстрее, и снова положительная обратная связь переводит схему в другое состояние, когда Q1 выключен, Q2 включен и выход низкий.

Обратите внимание, что в триггере Шмитта «положительный» сигнал обратной связи подается в фазе с уменьшенной амплитудой на вход, где он увеличивает уровень входного сигнала. И, переходя к ключевому конструктивному ограничению, надо убедиться что ток в Q1 меньше чем ток в Q2, иначе сборка не будет работать.

И завершим работу практической схемой, основанной на классической концепции триггера Шмитта с эмиттерной связью. Вот простое реле времени, которое можно собрать используя несколько отдельных компонентов, которые можно найти в любой радио-мастерской.