施密特觸發器

在電子學中，施密特觸發器是包含正反饋的比較器電路。對於標準施密特觸發器，當輸入電壓高於正向閾值電壓，輸出為高；當輸入電壓低於負向閾值電壓，輸出為低；當輸入在正負向閾值電壓之間，輸出不改變，也就是說輸出由高電準位翻轉為低電準位，或是由低電準位翻轉為高電準位對應的閾值電壓是不同的。只有當輸入電壓發生足夠的變化時，輸出才會變化，因此將這種元-{}-件命名為觸發器。這種雙閾值動作被稱為遲滯現象，表明施密特觸發器有記憶性。從本質上來說，施密特觸發器是一種雙穩態多諧振盪器。施密特觸發器可作為波形整形電路，能將模擬訊號波形整形為數位電路能夠處理的方波波形，而且由於施密特觸發器具有滯回特性，所以可用於抗干擾，其應用包括在開迴路配置中用於抗擾，以及在閉迴路正回授/負回授配置中用於實現多諧振盪器。發明.施密特觸發器是由美國科學家奧托·赫伯特·施密特。 這一發明是施密特對魷魚神經中的神經脈衝傳播進行研究的直接成果。符號.電路圖中的施密特觸發器符號是一個三角中畫有一個反相或非反相滯回符號。這一符號描繪了對應的理想滯回曲線。實現.施密特觸發器可以利用簡單的隧道二極體實現，這種二極體的伏安特性在第一象限中是一條“N”形曲線。振盪輸入會使二極體的伏安特性從“N”形曲線的上升分支移動到另一分支，然後在輸入值超越上升和下降翻轉閾值時回到起點。不過，這類施密特觸發器的效能可以利用基於電晶體的元-{}-件來提升，因為基於電晶體的元-{}-件可以透過非常直接的利用正反饋來提升翻轉效能。比較器實現的施密特觸發器.施密特觸發器常用接入正反饋的比較器來實現，而不像運算放大器電路常接入負反饋。對於這一電路，翻轉發生在接近地的位置，遲滯量由R1和R2的阻值控制：比較器提取了兩個輸入之差的符號。當非反相端連續輸入時總有相同的符號。由於電阻網路將施密特觸發器的輸入端時，比較器才會翻轉到低電平。由電流守恆，可知此時滿足下列關係：formula_1因此formula_2必須降低到低於formula_3時，輸出才會翻轉狀態。一旦比較器的輸出翻轉到−"V"S，翻轉回高電平的閾值就變成了formula_4。這樣，電路就形成了一段圍繞原點的翻轉電壓帶，而觸發電平是formula_5。只有當輸入電壓上升到電壓帶的上限，輸出才會翻轉到高電平；只有當輸入電壓下降到電壓帶的下限，輸出才會翻轉回低電平。若"R"1為0，"R"2為無窮大，電壓帶的寬度會壓縮到0，此時電路就變成一個標準比較器 。輸出特性如右圖所示。閾值"T"由formula_6給出，輸出"M"的最大值是電源軌。實際配置的非反相施密特觸發電路如下圖所示。輸出特性曲線與上述基本配置的輸出曲線形狀相同，閾值大小也與上述配置滿足相同的關係。不同點在於上例的輸出電壓取決於供電電源，而這一電路的輸出電壓由兩個齊納二極體。下圖是一個反相施密特觸發器的例子，右圖是其滯回曲線，其中Ue是輸入電壓，Ur是參考電壓：上述電路滿足如下關係：formula_7formula_8其中U1和U2是閾值電壓，Uv是電源電壓。兩個電晶體實現的施密特觸發器.在使用正反饋配置實現的施密特觸發器中，比較器自身可以實現的大部分複雜功能都沒有使用。因此，電路可以用兩個交叉耦合的電晶體來實現。基於2個電晶體的施密特觸發電路如下圖所示。通路RC1 R1 R2設定了電晶體T2的基極電壓，不過，這一分壓通路會受到電晶體T1的影響，如果T1開路，通路將會提供更高的電壓。因此，在兩個狀態間翻轉的閾值電壓取決於觸發器的現態。對於如上所示的NPN電晶體，當輸入電壓遠遠低於共射極電壓時，T1不會導通。電晶體T2的基極電壓由上述分壓電路決定。由於接入負反饋，共射極上所加的電壓必須幾乎與分壓電路上所確定的電壓幾乎一樣高，這樣就能使T2導通，並且觸發器的輸出是低電平狀態。當輸入電壓稍高時，T1將會導通。當T1開始導通時，T2不再導通，因為此時分壓通路提供的電壓低於T2基極電壓，而射極電壓不會降低，因為T1此時消耗透過RE的電流。此時T2不導通，觸發器過渡到高電平狀態。此時觸發器處於高電平狀態，若輸入電壓降低得足夠多，則透過T1的電流會降低，這會降低T2的共射極電壓並提高其基極電壓。當T2開始導通時，RE上的電壓上升，然後會降低T1的基極－射極電位，T1不再導通。在高電平狀態時，輸出電壓接近V+；但在低電平狀態時，輸出電壓仍會遠遠高於V−。因此在這種情況下，輸出電壓不夠低，無法達到邏輯低電平，這就需要在觸發器電路上附加放大器。上述電路可以被簡化：R1可以用短路連線代替，這樣T2基極就直接連線到T1集電極，R2可以去掉並以開路代替。電路執行的關鍵是當T1接通時，透過RE的電流比T1截止時小，因為T1導通時會使T2截止，而當T2導通時，相比T1會為RE提供更大的透過電流。當流入RE的電流減小時，其上的電壓會降低，因此一旦電流開始流入T1，輸入電壓一定會降低以使T1回到截止狀態，這是因為此時T1的射極電壓已降低。這一施密特觸發緩衝器也可以變成一個施密特觸發反相器，而且在此過程中還能省去一個電阻，方法是將RK2以短接代替，並將Vout連線到T2射極而不是集電極。不過在這種情況下，RE的阻值應該更大，因為此時RE要充當輸出端的下拉電阻，作用是當輸出應該為低電平時，其會降低輸出端的電壓。若RE的阻值較小，其上只能產生一個較小的電壓，在輸出應該為數字低電平時，這一電壓實際上會提高輸出電壓。應用.施密特觸發器在開環配置中常用於抗擾，在閉環正反饋配置中用於實現多諧振盪器。抗擾.施密特觸發器的一個應用是增強僅有單輸入閾值的電路的抗擾能力。由於只有一個輸入閾值，閾值附近的雜訊輸入訊號會導致輸出因噪聲來回地快速翻轉。但是對於施密特觸發器，閾值附近的噪聲輸入訊號只會導致輸出值翻轉一次，若輸出要再次翻轉，噪聲輸入訊號必須達到另一閾值才能實現，這就利用了施密特觸發器的回差電壓來提高電路的抗干擾能力。例如，在快捷半導體公司的QSE15x紅外光電感測器家族 中，放大式紅外光電二極體能產生電訊號使頻率在絕對最高值和絕對最低值間翻轉。這種電訊號經過低通濾波後能產生平滑訊號，而這種平滑訊號的上升和下降與翻轉訊號為開啟或關閉所需時間的相對量一致。濾波後的輸出傳遞到施密特觸發器的輸入。實際結果是施密特觸發器的輸出只從低電平過渡到高電平，而這一過程在接收到的紅外訊號以長於某個已知時延的時間激勵光電二極體之後，一旦施密特觸發器的輸出變為高電平，其輸出只會在紅外訊號不再以長於類似已知時延的時間激勵光電二極體之後才會變為低電平。鑑於光電二極體容易因為環境中的噪聲發生偽翻轉，由濾波器和施密特觸發器實現的時延能確保輸出只在輸入確實激勵元-{}-件時才會翻轉。內建施密特觸發器的元-{}-件.如上例所述，飛兆半導體公司QSE15x光電感測器家族內建施密特觸發器用於抗擾，而在很多開關電路中，內建施密特觸發器也是處於相同的原因，例如開關去抖動。包含施密特觸發器的積體電路列表下列7400系列元-{}-件在其全部輸入部分都包含施密特觸發器：4000系列元-{}-件中的多個型號在其輸入部分都包含施密特觸發器，例如：雙施密特輸入配置單門CMOS邏輯、與門、或門、異或門、與非門、或非門、同或門：振盪器.施密特觸發器是一種雙穩態多諧振盪器，可用來實現另一種多諧振盪器——弛張振盪器。實現的方法是在反相施密特觸發器上連線一個電阻－電容網路，具體步驟是將電容連線在輸入和地之間，將電阻連線在輸出和輸入之間。電路的輸出是方波，其頻率取決於R和C的取值以及施密特觸發器的閾值點。因為多個施密特觸發電路可以由單個積體電路來提供，因此只需要兩個外部元件就可以利用積體電路未使用的部分來構成一個簡單可靠的振盪器。此處，基於比較器的施密特觸發器是反相配置，也就是說輸入和地是由上圖所示的施密特觸發器翻轉，因此，絕對值很大的負訊號對應正輸出，絕對值很大的正訊號對應負輸出。此外，接入RC網路的同時也接入了慢負反饋。結果就如右圖所示，輸出從"V""SS"到"V""DD"自動振盪，這一過程中電容充電，輸出從施密特觸發器的一個閾值變化到另一個閾值。