施密特觸發器工作原理、電路圖、主要用途、符號

今天給大家分享的是：施密特觸發器。

主要是：施密特觸發器工作原理、電路圖、主要用途、符號。

一、什么是施密特觸發器

施密特觸發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。施密特觸發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。

施密特觸發器

施密特觸發器有幾個穩態?

施密特觸發器是一種雙穩態電路，當輸入達到某個設計的閾值電壓電平時，輸出在兩個穩態電壓電平(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。

“施密特觸發器”名稱中的“觸發器”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”變化。

施密特觸發器是一種邏輯輸入，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生的誤差，從而產生方波。此外，它還可用于將三角波和正弦波等其他類型的信號轉換為方波。

下面為施密特觸發器符號：

施密特觸發器符號

二、施密特觸發器里面什么是 UTP 和 LTP?

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

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

下面為施密特觸發器工作原理，上下觸點圖：

施密特觸發器工作原理圖

在上面的示例中，V 滯后 = UTP-LTP

上閾值(觸發)點、下閾值(觸發)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)

當要比較兩個級別時，邊界可能會出現振蕩(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)進行比較，而施密特觸發器與稱為 UTP 和 LTP 的兩種不同電壓進行比較。

使用運算放大器 741 電路的上述施密特觸發器的 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、施密特觸發器工作原理 (施密特觸發器原理圖)

施密特觸發器利用正反饋——它對輸出進行采樣并將其反饋到輸入中，以便“加強”，可以說是輸出——這與負反饋完全相反，負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，并使其保持在那里，即使在通常是死區的范圍內。

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，這會創建一個通過反饋電阻的電流路徑，略微增加參考電壓。

當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稱值，因為反饋和較低的參考電阻現在與地并聯(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致多次轉換——換句話說，不再存在死區。

為了使輸出變高，輸入現在必須越過新的下限閾值。一旦交叉，輸出變為高電平，電路“重置”為初始配置。輸入必須只跨越一次閾值，從而產生一個干凈的轉換。該電路現在有兩個有效的閾值或狀態——它是雙穩態的。

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，我們發現一旦越過下閾值，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絡的配置以改變閾值以防止不需要的振蕩或噪聲。

四、施密特觸發器電路圖

1、基于運算放大器的施密特觸發器

1)反相施密特觸發器

在反相施密特觸發器中，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。反相施密特觸發器的電路圖如下圖所示：

反相施密特觸發器

反相施密特觸發器工作原理：

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：

現在，計算 V 的方程，應用基爾霍夫電流定律(KCL)：

現在，讓我們假設施密特觸發器的輸出為高。在這種情況下，

所以，從上面的等式：

當輸入信號大于V 1時，施密特觸發器的輸出將變為低電平。因此，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。當施密特觸發器的輸出為低電平時，在這種情況下，

現在，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、同相施密特觸發器

在同相施密特觸發器中，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。同相施密特觸發器的電路圖如下圖所示;

同相施密特觸發器

在該電路中，當電壓 V 大于零時，施密特觸發器的輸出為高電平。當電壓 V 小于零時，輸出將變為低電平。

現在，讓我們找到電壓 V 的方程。為此，我們在該節點應用 KCL：

現在，假設運算放大器的輸出很低。因此，施密特觸發器的輸出電壓為 V L。并且電壓V等于V 1。

在這種情況下：

從上面的等式：

當電壓V 1大于零時，輸出為高電平。在這種情況下：

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

現在假設施密特觸發器的輸出為高。并且電壓V等于V 2。

根據電壓 V 的方程：

當電壓V 2小于零時，施密特觸發器的輸出將變低。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器

使用晶體管的施密特觸發器電路如下圖所示。下面的電路可以用基本的電子元件構建，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器

當輸入電壓 (Vin) 為 0 V 時，T1 晶體管將不導通，而 T2 晶體管將由于電壓參考 (Vref) 與電壓 1.98 導通。在節點 B，可以將電路視為分壓器，借助以下表達式計算電壓。

輸入電壓 = 0V，電壓參考 = 5V

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

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

T2 晶體管的導通電壓很低，晶體管的發射極端電壓為 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，因此晶體管將導通。這將是晶體管T2的基極端電壓下降的原因。當 T2 晶體管不再導通時，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射極端子的 0.7 V。

當晶體管進入正向激活模式時，當發射極電流拒絕結束時，就會發生這種情況。所以集電極電壓會升高，T2晶體管的基極端也會升高。這將導致很少電流流過 T2 晶體管，進一步降低晶體管發射極的電壓并關閉 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的施密特觸發器

使用 IC555的施密特觸發器電路圖如下所示。下面的電路可以用基本的電子元件組成，但IC555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鍵電壓與兩個閾值進行對比。觸發器(FF)因此被排列或重新排列。輸出將根據此變高或變低。

4、施密特觸發器振蕩器

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

施密特觸發器振蕩器

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

其中 k 是一個常數，范圍在 0.2 和 1 之間。

5、CMOS施密特觸發器

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，這不是我們想要的，因此，使用了 CMOS 施密特觸發器。

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。為了避免這種情況，使用了 CMOS 施密特觸發器。

CMOS 施密特觸發器的結構

下面的電路圖顯示了 CMOS 施密特觸發器的結構。CMOS 施密特觸發器由 6 個晶體管組成，包括 PMOS 和 NMOS 晶體管。

下圖為CMOS施密特觸發器

CMOS 施密特觸發器

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時導通。而PMOS管在VG小于VS或VD時導通。在 CMOS 施密特觸發器中，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晶體管導通，N N晶體管截止。它為節點 A 創建了一條接地路徑。因此，CMOS 施密特觸發器的輸出將為零。

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

五、施密特觸發器的主要用途

1、簡單的振蕩器

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

施密特觸發器振蕩器

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

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

可以通過一些數學公式推導出頻率表達式：

頻率表達式

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、開關去抖

作為邏輯輸入的機械開關并不是最好的主意。開關觸點往往有些彈性，會導致很多不必要的抖動，這又會導致多次轉換和進一步的故障。使用帶有簡單 RC 電路的施密特觸發器可以幫助緩解這些問題。

下圖為：施密特觸發器開關去抖動器

施密特觸發器開關去抖動器

當開關被按下時，它會使電容放電并導致輸出變高一段時間，直到電容器再次充電，在輸出上產生一個干凈的脈沖。

3、其他用途

施密特觸發器主要用于將正弦波變為方波。

這些通常用于消除數字電路中信號噪聲的信號調理等應用。

這些用于實現用于閉環負響應設計的張弛振蕩器。

這些用于開關電源以及函數發生器。

審核編輯：湯梓紅