Кіріспе
Гистерезисті электронды салыстырғыш контуры Электроникада Шмитт триггері – салыстырғыш немесе дифференциалдық күшейткіштің инверттелмейтін кірісіне оң кері байланыс қолдану арқылы іске асырылатын гистерезисті салыстырғыш контуры. Бұл аналогтық сигналды цифрлық сигналға түрлендіретін белсенді контур. Контур триггер деп аталады, өйткені шығысы кіріс жеткілікті түрленгенше өз мәнін сақтайды. Инверттелмейтін конфигурацияда, кіріс таңдалған шектен жоғары болса, шығыс жоғары болады. Кіріс басқа (төменгі) таңдалған шектен төмен болса, шығыс төмен болады, ал кіріс екі деңгейдің арасында болса, шығыс өз мәнін сақтайды. Бұл екі шекті әрекет гистерезис деп аталады және Шмитт триггері жадқа ие екенін және бистабельді мультивибратор (құлып немесе флип-флоп) ретінде жұмыс істей алатынын көрсетеді. Екі контурдың арасында тығыз байланыс бар: Шмитт триггерін құлыпқа айналдыруға болады, ал құлыпты Шмитт триггеріне айналдыруға болады. Шмитт триггері құрылғылары көбінесе цифрлық схемаларда қолданылатын сигналдардан шуды жою үшін, әсіресе коммутаторлардағы механикалық байланыс секіруін азайту үшін сигналды кондициялау қолданбаларында қолданылады. Олар сондай-ақ функция генераторларында және импульстік қуат көздерінде қолданылатын релаксациялық осцилляторларды іске асыру үшін жабық циклды теріс кері байланыс конфигурацияларында қолданылады. Сигналдар теориясында Шмитт триггері – бір биттік кванттаушы.
In electronics, a Schmitt trigger is a comparator circuit with hysteresis implemented by applying positive feedback to the noninverting input of a comparator or differential amplifier. It is an active circuit which converts an analog input signal to a digital output signal. The circuit is named a trigger because the output retains its value until the input changes sufficiently to trigger a change. In the non inverting configuration, when the input is higher than a chosen threshold, the output is high. When the input is below a different (lower) chosen threshold the output is low, and when the input is between the two levels the output retains its value. This dual threshold action is called hysteresis and implies that the Schmitt trigger possesses memory and can act as a bistable multivibrator (latch or flip flop). There is a close relation between the two kinds of circuits: a Schmitt trigger can be converted into a latch and a latch can be converted into a Schmitt trigger. Schmitt trigger devices are typically used in signal conditioning applications to remove noise from signals used in digital circuits, particularly mechanical contact bounce in switches. They are also used in closed loop negative feedback configurations to implement relaxation oscillators, used in function generators and switching power supplies. In signal theory, a schmitt trigger is essentially a one bit quantizer.
Тарих
Шмитт триггерін американдық ғалым Отто Х. Шмитт 1934 жылы аспирантурада оқып жүрген кезінде ойлап тапты, кейіннен ол докторлық диссертациясында (1937) термиондық триггер ретінде сипатталды. Бұл Шмитттің кальмардың жүйке талшықтарындағы нейрондық импульстің таралуын зерттеуінің тікелей нәтижесі болды. Электр схемаларындағы Шмитт триггерлерінің символы – ішінде идеалды гистерезис қисығын көрсететін белгісі бар үшбұрыш.
Классикалық эмитерлік-қосылған схема
Шмитттің бастапқы қоздырғышы динамикалық шек идеясына негізделген, ол ауыстырылатын жоғарғы бөлігі (коллекторлық RC1 және RC2 кедергілері) және тұрақты төменгі бөлігі (RE) бар кернеуді бөлетін құрылым арқылы іске асырылады. Q1 транзисторы инвертті (Q1 базасы) және инвертті емес (Q1 эмитері) кірістерден тұратын дифференциалдық кіріс (Q1 база-эмиттерлік қосылысы) арқылы салыстырғыш ретінде жұмыс істейді. Кіріс кернеуі инвертті кіріске беріледі, ал кернеуді бөлетін құрылымның шығыс кернеуі инвертті емес кіріске беріліп, осылайша оның шегін анықтайды. Салыстырғыштың шығысы кернеуді бөлуші R1 және R2 арқылы екінші жалпы коллекторлық сатысы Q2 (эмиттерлік ізбасар) арқылы басқарылады. Эмиттер арқылы байланысқан Q1 және Q2 транзисторлары кернеуді бөлетін құрылымның жоғарғы бөліктерін ауыстыратын және шекті кіріс кернеуінен өзгеше бағытта өзгертетін электрондық қос өткіш қосқыш құралы болып табылады. Бұл конфигурацияны оң кері байланысы тізбекті түрде (Q2 базасы мен Q1 коллекторы арасында) болатын дифференциалдық күшейткіш ретінде қарастыруға болады, ол ауысу процесін күшейтеді. Эмиттерлік кедергі RE арқылы шағын теріс кері байланыс та пайда болады. Оң кері байланыс теріс кері байланыстан басым болуы және гистерезис алу үшін екі коллекторлық кедергінің арақатынасы RC1 > RC2 деп таңдалады. Осылайша, Q1 қосылғанда RE арқылы ағатын ток және кернеудің төмендеуі Q2 қосылған кездегіден кем болады. Нәтижесінде, тізбектің жерге қатысты екі түрлі шегі болады (суреттегі V−).
Операция
Бастапқы күйі. Оң жақта көрсетілген NPN транзисторлары үшін кіріс кернеуі ортақ эмитер кернеуінен төмен (нақтырақ айтқанда, жоғары шек) деп елестетіңіз, сондықтан Q1 база-эмиттер торабы кері бұрылысқа ие және Q1 өткізбейді. Q2 базалық кернеуі аталған бөлігіш арқылы анықталады, сондықтан Q2 өткізгіш және триггер шығысы төмен күйде болады. RC2 және RE екі резисторы жоғары шекті анықтайтын тағы бір кернеу бөлігішін құрайды. VBE-ді ескермесек, жоғары шектің шамамен мәні мынадай:
Шығыс кернеуі төмен, бірақ жерден әлдеқайда жоғары. Ол шамамен жоғары шекке тең және кейінгі цифрлық тізбектер үшін логикалық нөлді білдіру үшін жеткілікті төмен болмауы мүмкін. Мұндай жағдайда триггер тізбегінен кейін қосымша деңгей ауыстыру тізбегі қажет болуы мүмкін. Жоғары шектен өту. Кіріс кернеуі (Q1 базалық кернеуі) эмитерлік резистор RE арқылы кернеуден (жоғары шек) сәл жоғарылағанда, Q1 өткізуді бастайды. Оның коллекторлық кернеуі төмендейді, ал Q2 жабылуға бастайды, себебі кернеу бөлігіші енді Q2 базалық кернеуін төмендетеді. Ортақ эмитерлік кернеу осы өзгеріске ілесіп, төмендейді, осылайша Q1 өткізгіштігін арттырады. Ток тізбектің оң жағынан сол жағына қарай бағытталуды бастайды. Q1 көбірек өткізгіш болғанымен, ол RE арқылы аз ток өткізеді (өйткені RC1 > RC2); эмитерлік кернеу төмендеуді жалғастырады және Q1 база-эмиттерлік кернеуі үнемі артады. Бұл лавина тәрізді процесс Q1 толыққанды қосылғанша (қаныққанша) және Q2 өшкенше жалғасады. Триггер жоғары күйге өтеді және шығыс кернеуі (Q2 коллекторы) V+-қа жақын болады. RC1 және RE екі резисторы төменгі шекті анықтайтын кернеу бөлігішін құрайды. Оның мәні шамамен мынадай:
Төменгі шектен өту. Триггер енді жоғары күйде болғандықтан, егер кіріс кернеуі жеткілікті төмен болса (төменгі шектен төмен), Q1 жабылуды бастайды. Оның коллекторлық тогы азаяды; нәтижесінде ортақ эмитерлік кернеу сәл төмендейді және Q1 коллекторлық кернеуі айтарлықтай артады. R1 R2 кернеу бөлігіші бұл өзгерісті Q2 базалық кернеуіне жеткізеді және ол өткізуді бастайды. RE арқылы кернеу көтеріледі, Q1 база-эмиттерлік потенциалын лавина тәрізді төмендетеді және Q1 өткізуді тоқтатады. Q2 толыққанды қосылады (қанығады) және шығыс кернеуі қайтадан төмендейді.
Вариациялар
Инвертті емес схема. Классикалық инвертті емес Шмитт триггерін Q2 коллекторынан емес, эмитерлерден Vout алу арқылы инвертті триггерге түрлендіруге болады. Бұл конфигурацияда шығыс кернеуі динамикалық шегіне (ортақ эмитер кернеуі) тең болады және екі шығыс деңгейі де қуат көзінің шектерінен алыс қалады. Тағы бір кемшілігі – жүктеме шекті мәндерді өзгертеді, сондықтан ол жеткілікті жоғары болуы керек. Q1 базалық-эмиттерлік торабы арқылы кіріс кернеуінің эмитер кернеуіне әсерін болдырмау үшін базалық кедергі RB міндетті. Тікелей байланысқан схема. Схеманы қарапайымдастыру үшін R1–R2 кернеуді бөлушісін қалдырып, Q1 коллекторын тікелей Q2 базасына қосуға болады. Кіріс кернеу көзі тікелей Q1 базасын басқару үшін базалық кедергі RB-ді де алып тастауға болады. Бұл жағдайда ортақ эмитер кернеуі және Q1 коллектор кернеуі шығыс ретінде қолдануға жарамсыз. Кіріс кернеуі жоғары шектен асқанда және Q1 қаныққанда, оның базалық-эмиттерлік торабы тікелей жүктеліп, кіріс кернеуінің өзгеруін тікелей эмитерлерге жеткізеді, сондықтан шығыс ретінде тек Q2 коллекторын пайдалану керек. Нәтижесінде ортақ эмитер кернеуі және Q1 коллектор кернеуі кіріс кернеуін қайталайды. Бұл жағдай дифференциалдық транзисторлық күшейткіштер мен ECL есіктері үшін тән.
Коллектор-базалық біріктірілген схема
Әрбір құлыптай, негізгі коллектор-базалық жұптасқан бистабильді схема гистерезиске ие. Сондықтан, оны қосымша базалық кедергі R-ді бір кіріске (суреттегі Q1 базасы) қосу арқылы Шмидт триггеріне түрлендіруге болады. R және R4 екі кедергісі шығыс кернеуін (Q2 коллекторы) және кіріс кернеуін қосып, бір ұшты транзисторлық "салыстырғыш" Q1-ді басқаратын параллель кернеу қосымшасын (жоғарыдағы блок-схемадағы шеңбер) құрайды. Негізгі кернеу шегінен (VBE0 ≈ 0,65 В) кез келген бағытта өткеде, Q2 коллекторының кернеуінің бір бөлігі сол бағытта кіріс кернеуіне қосылады. Осылайша, шығыс параллель оң кері байланыс арқылы кіріс кернеуін өзгертеді және шекті (негіз-эмиттер кернеуін) өзгерте алмайды.
Эмиттермен және коллектормен біріктірілген схемаларды салыстыру
Эмиттермен біріктірілген нұсқаның артықшылығы – кіріс кернеуі жоғары шектен әлдеқайда төмен болғанда кіріс транзисторы кері бұрмаланып, транзистор толығымен өшіріледі. Бұл схеманы іске асыру үшін германий транзисторлары қолданылған кезде маңызды болды және осы артықшылық оның танымалдылығын анықтады. Кіріс базалық кедергісін жоюға болады, себебі эмитерлік кедергі кіріс базалық-эмиттерлік торабы алға қарай бұрылғанда токты шектейді. Эмиттермен біріктірілген Шмидт триггерінің логикалық нөлдік шығыс деңгейі жеткілікті төмен болмауы мүмкін, сондықтан қосымша шығыс деңгейін өзгерту тізбегі қажет болуы мүмкін. Коллектормен біріктірілген Шмидт триггері логикалық нөлде өте төмен (іс жүзінде нөлге жуық) шығыс береді.
Op-amp іске асырулары
Шмитт триггерлері көбінесе операциялық күшейткіш немесе арнайы салыстырғыш арқылы іске асырылады. Ашық циклді операциялық күшейткіш және салыстырғыш, екі кірісі арасындағы кернеу айырмасының таңбасын анықтап, цифрлық шығыс беретін аналогты-цифрлық құрылғы ретінде қарастырылуы мүмкін. Оң кері байланыс, шығыс кернеуінің бір бөлігін кіріс кернеуіне тізбектей немесе параллель түрде қосу арқылы жүзеге асырылады. Операциялық күшейткіштің өте жоғары күшейту коэффициентіне байланысты, контурдың күшейту коэффициенті де жеткілікті түрде жоғары болып, лавина тәрізді процесті қамтамасыз етеді.
Шмитттің кері бұрылмайтын қоздырғышы
Бұл схемада R1 және R2 екі резисторы параллель кернеу сомматорын құрайды. Ол шығыс кернеуінің бір бөлігін кіріс кернеуіне қосады, осылайша оны жерге жақын кернеу кезінде болатын коммутация кезінде және одан кейін күшейтеді. Бұл параллель оң кері байланыс R1 және R2 кедергілерінің арақатынасымен бақыланатын қажетті гистерезисті жасайды. Паралель кернеу сомматорының шығысы бір полюсті (жерге қатысты кернеуін шығарады), сондықтан тізбекке дифференциалдық кіретін күшейткіш қажет емес. Конвенциялық операциялық күшейткіштерде дифференциалдық кіру болғандықтан, инверттеуші кіру тогы нөлдік нүктеге сәйкес болу үшін жерге қосылады. Шығыс кернеуінің әрқашан операциялық күшейткіштің кіріс кернеуінің таңбасымен бірдей, бірақ ол әрқашан тізбектің кіріс кернеуінің таңбасымен бірдей болмайды (екі кіріс кернеуінің таңбалары әртүрлі болуы мүмкін). Тізбектің кіріс кернеуі жоғары шектен жоғары немесе төмен шектен төмен болғанда, шығыс кернеуі тізбектің кіріс кернеуімен бірдей таңбаға ие болады (тізбек инверттемейді). Ол салыстырғыш сияқты жұмыс істейді, ол салыстырғыш шығысының жоғары немесе төмен болуына байланысты әртүрлі нүктеде ауысады. Тізбектің кіріс кернеуі шектер арасында болған кезде, шығыс кернеуі анықталмайды және соңғы күйге байланысты (тізбек қарапайым құлып ретінде әрекет етеді). Мысалы, егер Шмитт триггері қазіргі уақытта жоғары күйде болса, шығыс оң қуат көзі рельсіне (+VS) тең болады. Резистивтік сомматордың V+ шығыс кернеуін суперпозиция теоремасын қолдану арқылы табуға болады: V+=0 болған кезде салыстырғыш ауысады. Содан кейін (осыған сәйкес ток сақталу принципін қолдансаңыз да) шығысты ауыстыру үшін төмен түсуі керек. Салыстырғыш шығысы -VS-ке ауысқаннан кейін, жоғарыға ауысу шегі болады. Осылайша, бұл тізбек нөлге орталастырылған, триггерлік деңгейлері бар ауысу жолағын жасайды (оны инверттеуші кіріске бейімделген кернеуді қолдану арқылы солға немесе оңға жылдыруға болады). Кіріс кернеуі жолақтың жоғарғы шегінен жоғары, содан кейін жолақтың төменгі шегіне дейін көтерілуі керек, содан кейін шығыс қосылады (оң) және содан кейін өшеді (теріс). Егер R1 нөлге тең болса немесе R2 шексіз болса (яғни ашық тізбек), жолақ нөлдік енге дейін тарылады және ол стандартты салыстырғыш ретінде әрекет етеді. Ауысу сипаттамасы сол жақтағы суретте көрсетілген. T шекті мәнін беру үшін қуат көзі рельсін қолдану керек. Параллель оң кері байланыс тізбектерінің ерекше қасиеті – кіріс көзіне әсері. Теріс параллель кері байланыс тізбектерінде (мысалы, инверттеуші күшейткіште) инверттеуші кірістегі виртуалды жер кіріс көзін операциялық күшейткіш шығысынан бөледі. Мұнда виртуалды жер жоқ, және тұрақты операциялық күшейткіштің шығыс кернеуі R1-R2 желісі арқылы кіріс көзіне қолданылады. Операциялық күшейткіш шығысы кіріс көзі арқылы қарама-қарсы ток өткізеді (кіріс кернеуі оң болған кезде ол көзге ток енгізеді және теріс болған кезде көзден ток алады). Нақты шектері бар практикалық Шмитт триггері оң жақтағы суретте көрсетілген. Ауысу сипаттамасы бұрынғы қарапайым конфигурациямен дәл бірдей, ал шекті мәндері де бірдей. Екінші жағынан, бұрынғы жағдайда шығыс кернеуі қуат көзіне байланысты болды, ал қазір ол Зенер диодтарымен анықталады (оларды сонымен қатар екі анодты Зенер диодтарымен ауыстыруға болады). Бұл конфигурацияда шығыс деңгейлерін Зенер диодын таңдау арқылы өзгертуге болады және бұл деңгейлер қуат көзінің ауытқуларына төзімді (яғни, олар салыстырғыштың PSRR-ін арттырады). R3 резисторы диодтар арқылы өтетін токқа шектеу жасайды, ал R4 резисторы салыстырғыштың кіріс ағынынан туындаған кіріс кернеуінің ауытқуын азайтады (нақты операциялық күшейткіштердің шектеулерін қараңыз).
The comparator will switch when V+=0. Then (the same result can be obtained by applying the current conservation principle). So must drop below to get the output to switch. Once the comparator output has switched to −VS, the threshold becomes to switch back to high. So this circuit creates a switching band centered on zero, with trigger levels (it can be shifted to the left or the right by applying a bias voltage to the inverting input). The input voltage must rise above the top of the band, and then below the bottom of the band, for the output to switch on (plus) and then back off (minus). If R1 is zero or R2 is infinity (i. e., an open circuit), the band collapses to zero width, and it behaves as a standard comparator. The transfer characteristic is shown in the picture on the left. The value of the threshold T is given by and the maximum value of the output M is the power supply rail. A unique property of circuits with parallel positive feedback is the impact on the input source. In circuits with negative parallel feedback (e. g., an inverting amplifier), the virtual ground at the inverting input separates the input source from the op amp output. Here there is no virtual ground, and the steady op amp output voltage is applied through R1 R2 network to the input source. The op amp output passes an opposite current through the input source (it injects current into the source when the input voltage is positive and it draws current from the source when it is negative). A practical Schmitt trigger with precise thresholds is shown in the figure on the right. The transfer characteristic has exactly the same shape of the previous basic configuration, and the threshold values are the same as well. On the other hand, in the previous case, the output voltage was depending on the power supply, while now it is defined by the Zener diodes (which could also be replaced with a single double anode Zener diode). In this configuration, the output levels can be modified by appropriate choice of Zener diode, and these levels are resistant to power supply fluctuations (i. e., they increase the PSRR of the comparator). The resistor R3 is there to limit the current through the diodes, and the resistor R4 minimizes the input voltage offset caused by the comparator's input leakage currents (see limitations of real op amps).
Қолданбалар
Шмитт триггерлері әдетте шуға қарсы тұру үшін ашық циклды конфигурацияларда және функция генераторларын іске асыру үшін жабық циклды конфигурацияларда қолданылады. Аналогты-цифрлық түрлендіру: Шмитт триггері бір биттік аналогты-цифрлық түрлендіргіш ретінде жұмыс істейді. Сигнал белгілі бір деңгейге жеткенде, ол төменгі күйден жоғары күйге ауысады. Деңгейді анықтау: Шмитт триггерлік схемасы деңгейді анықтау мүмкіндігін береді. Бұл қолданбаны пайдаланғанда, тізбек қажетті кернеуде қосқыш үшін гистерезис кернеуін ескеру қажет. Желіні қабылдау: Логикалық есікке шу жинаған дерек желісін қосу кезінде, логикалық шығыс деңгейі деректердің өзгеруіне байланысты ғана өзгеруін және жиналған бөгде шудың әсерінен емес екенін қамтамасыз ету қажет. Шмитт триггерін пайдалану бөгде триггерлердің пайда болуына дейін шудың ең жоғары және ең төменгі деңгейі гистерезис деңгейіне жете алуына мүмкіндік береді.
Осциллятор ретінде пайдалану
Шмитт триггері – бистабельді мультивибратор, және оны басқа мультивибратор түрін, релаксациялық осцилляторды іске асыру үшін қолдануға болады. Бұл бір RC интегралдау тізбегін инверттеуші Шмитт триггерінің шығысы мен кірісі арасына қосу арқылы жүзеге асырылады. Шығыс – үздіксіз тіктөртбұрышты толқын болады, оның жиілігі R және C мәндеріне, сондай-ақ Шмитт триггерінің шектік мәндеріне байланысты. Бір интегралдық схема бірнеше Шмитт триггерлік тізбектерді қамтамасыз ете алатындықтан (мысалы, 4000 сериялы CMOS құрылғысының 40106 үлгісінде олардың 6-сы бар), интегралдық схеманың бос бөлігін тек екі сыртқы компонентпен қарапайым және сенімді осциллятор ретінде жылдам пайдалануға болады. Бұл жерде, салыстырғышқа негіделген Шмитт триггері инверттеуші конфигурацияда қолданылады. Сонымен қатар, интегралдаушы RC тізбегімен баяу теріс кері байланыс қосылады. Нәтижесінде, оң жақта көрсетілгендей, конденсатор бір Шмитт триггерінің шегінен екіншісіне зарядталатын кезде шығыс автоматты түрде VSS-тен VDD-ге ауысады.