Schmitti lülitus

**Schmitti lülitus**  ehk **Schmitti triger** (inglise keeles *Schmitt trigger*) on elektroonikakomponentidest koosnev lülitus, mille väljundpinge muutub kahe oleku vahel vastavalt sisendpingele.

Lülitus töötab komparaatorina, mis hoiab oma väljundit muutumatuna seni, kuni sisendpinge on muutunud piisavalt, et kutsuda esile muutus. Mitteinverteeriva Schmitti lülituse väljundpinge on võrdne loogilise ühega, kui sisendpinge on võrdne või kõrgemal kui lülitile seatud ülemine lävend. Väljundpinge muutub loogiliseks nulliks, kui sisendpinge on võrdne või madalam kui lülitile seatud alumine lävend. Väljundi seis ei muutu, kui sisendpinge väärtus on kahe lävendi vahel.

## Tööpõhimõte
Schmitti lülituse tööpõhimõte baseerub positiivsel tagasisidel ja hüstereesil. Ühendades süsteemi väljundi süsteemi sisendiga tekitame positiivse tagasisideahela, mis tekitab süsteemi vaheväärtustes ebastabiilsuse, sundides süsteemi ühte kahest võimalikust ekstreemumist. Kui sisendpinge ületab seatud lävendi, kindlustab tagasiside, et muutus ekstreemumite vahel toimuks nii kiiresti kui võimalik, sõltumata sisendi muutumise kiirusest.

Hüsterees kindlustab, et skeemis ei tekiks hulgalisi ebakorrektseid lülitusi ekstreemumite vahel. Hüstereesi piirkonda valides peab silmas pidama sisendsignaali amplituudi ja selle mürasisaldust. Kui need parameetrid on ajas muutuvad või teadmata, võib liiga suure hüstereesi piirkonna valikul juhtuda, et sisendsignaal ei suuda esile tuua muutusi ühe või mõlema lülituslävendi puhul. Liiga väikese piirkonna valikul võib müra tekitada mitmeid ebakorrektseid lülitusi.

## Lülituse variandid
### Operatsioonvõimendi baasil

#### Sümmeetriliste lävenditega mitteinverteeriv lülitus

Sümmeetriliste lävenditega mitteinverteeriva Schmitti lülituse saab tekitada, ühendades operatsioonivõimendi inverteeriva sisendi maaga (GND ) ja mitteinverteeriva sisendi kahe takisti R1 , R2  vahele. Takisti R1  on omakorda ühendatud ühe otsaga sisendpinge (V_{in} ) külge ja R2  teise otsaga operatsioonivõimendi väljundi külge (V_{out} ). Manipuleerides R1 , R2  väärtustega saame kontrollida, missuguse sisendpinge korral tekib väljundis muutus.

Muutust tekitava sisendpinge saab arvutada järgnevalt, kui kasutame superpositsiooni meetodit, et leida V^+ .

Väljundpinge V_{out}  on V_{sat} , kui V^+ > 0  ning V_{out}  on -V_{sat} , kui V^+ , kus V_{sat}  tähistab operatsioonivõimendi ülemist ja alumist toitepiiri.

Leiame V^+_1 kasutades V_{in}: V^+_1 = \frac{R_2}{R_1+R_2}*V_{in}

Leiame V^+_2 kasutades V_{out}: V^+_2 = \frac{R_1}{R_1+R_2}*V_{out}

Leiame V^+ kasutades V^+_1 ja V^+_2 : V^+ = V^+_1 + V^2_2 = \frac{R_2}{R_1+R_2}*V_{in} + \frac{R_1}{R_1+R_2}*V_{out}

Nüüd oletame, et V_{out}  on -V_{sat}  seega V_{out} .

Seega saame V^+  valemiks: V^+ = \frac{R_2}{R_1+R_2}*V_{out} + \frac{R_1}{R_1+R_2}*(-V_{sat}) .

Operatsioonivõimendi lülitus toimub 0 V juures, sest inverteeriv sisend on ühendatud maaga \Rightarrow V^+ = 0.

\frac{R_2}{R_1+R_2}*V_{out} - \frac{R_1}{R_1+R_2}*(V_{sat}) = 0 

R_2V_{in} - R_1V_{sat} = 0 

Viimaks saame lülituse toimumise ülemise lävendi V_T .

V_T = V_{in} = \frac{R_1}{R_2}*V_{sat}  

Kuna lülituse lävendid on sümmeetrilised, on lülituse alumine lävend -V_T :

-V_T = -\frac{R_1}{R_2}*V_{sat}  

#### Sümmeetriliste lävenditega inverteeriv lülitus
Sümmeetriliste lävenditega inverteeriv Schmitti lülitus käitub oma loogikalt vastupidi. See tähendab, kui sisendpinge (V_{in} ) ületab ülemise lävendi muutub väljundpinge (V_{out} ) madalaks ning möödudes alumisest lävendist muutub sisendpinge kõrgeks.

Lülituse saab tekitada ühendades kaks takistit R1 , R2  jadamisi maa (GND ) ja operatsioonivõimendi väljundi vahele. Operatsioonivõimendi mitteinverteeriv sisend tuleb ühendada kahe jadamisi oleva takisti vahele ja inverteeriv sisend ühendada sisendpingega. R1 , R2  tekitavad V_{out}  ja GND  vahele pingejaguri ning lülituse lävend oleneb jadamisi olevate takisti omavahelisest proportsioonist.

Ülemise ja alumise lülituse lävendi väärtuste V_T , -V_T  tuletamine on kasutades pingejaguri valemit triviaalne:

Kui V_{out} = V_{sat} \Rightarrow V^+ = \frac{R_1}{R_1+R_2}*V_{sat} = V_T  .

Kui V_{out} = -V_{sat} \Rightarrow V^+ = \frac{R_1}{R_1+R_2}*(-V_{sat}) = -V_T  .

#### Ebasümmeetriliste lävenditega inverteeriv lülitus
Ebasümmeetriliste lävenditega inverteeriva Schmitti lülituse saab ühendades sisendpinge (V_{in} ) operatsioonivõimendi inverteeriva sisendi külge ja lisades skeemi kolm takistit. Takistid R1 , R2  ühendatakse jadamisi toitepinge (VCC) ja maa (GND) vahele. Takisti R3 ühendatakse ühe otsaga operatsioonivõimendi väljundiga (V_{out}) ja teise otsaga võimendi mitteinverteeriva sisendi külge ning need mõlemad on ühendatud takistite R1  ja R2  vahele. Takisti R3 annab skeemile erinevad lülituslävendid, mis on seotud operatsioonivõimendi väljundpingega.

Kui operatsioonivõimendi väljund on kõrge (VCC) tekib ekvivalentne skeem, kus R1  ja R3 on omavahel rööbiti ning jadamisi takistiga R2 . Vastupidises olukorras, kus võimendi väljund on võrdne maaga (GND), on R2  ja R3 omavahel rööbiti ning jadamisi takistiga R1 .

Muutust tekitavad väljundpinged saab arvutada kasutades pingejaguri valemit ning pidades meeles rööpühenduse omadusi.

Ülemine lävend V_{out} = GND \Rightarrow \frac{R2||R3}{R2||R3 + R1} = V_{up}.

Alumine lävend V_{out} = VCC \Rightarrow \frac{R1||R3}{R1||R3 + R2} = V_{low}.

### Transistoride baasil

#### NPN transistoride baasil
Ebasümmeetriliste lävenditega mitteinverteeriva Schmitti lülituse saab kasutades takisteid ja transistore.

Oletame, et sisendpinge (V_{in} ) on nullilähedane, seega transistor Q1 on välja lülitatud. Seetõttu läbib vool takisteid R1 , R3 , R4  ning tekitab transistoris Q2  baasvoolu, mis avab transistori (transistor avaneb küllastunud olekus). Takistid R2 , R5  tekitavad pingejaguri, millest sõltub väljundpinge (V_{out} ), kuid täpse tulemuse saamiseks tuleb arvesse võtta ka transistori pingelang.

Ülemine lävend V_{up} = \frac{R2}{R2 + R5}*VCC .

Q1 emitteri pinge on seotud transistor Q2  baasvooluga ning Q1 ja Q2  emitterid omavahel otseühenduses ning seetõttu jagavad samasugust pinge potentsiaali. Sisendpinge tõusmisel kõrgemale kui pingelang Q2  emitteril, hakkab läbi Q1 jooksma baasvool, transistor Q1 hakkab avanema. Q1 avanedes näljutab see Q2  baasvoolust ja seetõttu hakkab see transistor sulguma, lubades üha enam voolu läbi transistori Q1. Positiivse tagasiside mõjul tekib skeemis olukord, kus Q1 on täielikult avanenud (küllastunud olek) ning Q2  on täielikult sulgunud. Q2  sulgumise tõttu on väljundpinge võrdväärne toitepingega.

Alumine lävend V_{low} = \frac{R1}{R1 + R5}*VCC .

Sisendpinge langemisel toimub sama protsess vastupidi. Transistori Q1 hakkab läbima järjest vähem voolu ja see alustab sulgumist. Pinge transistor Q1 kollektoril üha suureneb ja järjest rohkem voolu läbib transistori Q2 . Positiivse tagasiside abil kiireneb protsess üha kiiremini kuni Q1 on täielikult suletud ning transistor Q2  täielikult avatud.

## Kasutusvõimalused

### Mürakindlus
CMOS, BiCMOS ja TTL seadmed vajavad normaalseks opereerimiseks oma sisenditesse kiireid tõusvaid ja langevaid signaale. Aeglased lülitusajad võivad esile kutsuda suured voolutugevused, ostsillatsiooni, mitmeid ebakorrektseid lülitusi lävenditel või isegi kahjustada seadet. Kohati võib selliseid situatsioone olla raske vältida nagu seadme sisselülitamine või inimese poolt vajutatavad nupud.

Schmitti lülitus on odav lahendus, mis mõeldud kiirete tõusude ja languste tekitamiseks aeglastest analoogsisenditest või mürastest signaalidest.

### Kasutus ostsillaatorina

Schmitti lülitus on bistabiilne multivibraator ning seda kasutades saab konstrueerida relaksatsioongeneraatori. See saavutatakse ühendades ühe RC-ahela inverteeriva Schmitti lülituse väljundi ja sisendi vahele. Väljundpinge tekitab katkematu kastsignaali, mille sagedus sõltub R ja C väärtustest ning Schmitti lülituse lävenditest.

## Viited