Введение
Электронная схема компаратора с гистерезисом
В электронике, триггер Шмитта — это схема компаратора с гистерезисом, реализованная путем подачи положительной обратной связи на неинвертирующий вход компаратора или дифференциального усилителя. Это активная схема, которая преобразует аналоговый входной сигнал в цифровой выходной сигнал. Схема называется триггером, поскольку выход сохраняет свое значение до тех пор, пока вход не изменится достаточно, чтобы вызвать переключение. В неинвертирующей конфигурации, когда входной сигнал превышает установленный порог, выходной сигнал высокий. Когда входной сигнал опускается ниже другого (более низкого) установленного порога, выходной сигнал низкий, а когда входной сигнал находится между этими двумя уровнями, выходной сигнал сохраняет свое предыдущее значение. Это двойное пороговое действие называется гистерезисом и означает, что триггер Шмитта обладает памятью и может функционировать как бистабильный мультивибратор (триггер или флип-флоп). Существует тесная взаимосвязь между этими двумя типами схем: триггер Шмитта может быть преобразован в триггер, а триггер – в триггер Шмитта. Устройства на триггерах Шмитта обычно используются в схемах обработки сигналов для устранения шума из сигналов, применяемых в цифровых схемах, в частности, для подавления дребезга контактов механических переключателей. Они также используются в схемах с замкнутой отрицательной обратной связью для реализации релаксационных генераторов, применяемых в генераторах функций и импульсных источниках питания. В теории сигналов триггер Шмитта по сути является однобитным квантизатором.
История
Триггер Шмитта был изобретен американским ученым Отто Х. Шмитом в 1934 году, когда он был аспирантом, а позднее описан в его докторской диссертации (1937) как термионический триггер. Это стало прямым результатом изучения Шмиттом распространения нервных импульсов в нервах кальмаров. Обозначение триггера Шмитта на электрических схемах – треугольник с символом внутри, изображающим его идеальную кривую гистерезиса.
Классическая схема с соединением излучателя
Первоначальный триггер Шмитта основан на идее динамического порога, которая реализуется с помощью делителя напряжения с переключаемой верхней частью (резисторы коллектора RC1 и RC2) и стабильной нижней частью (RE). Q1 действует как компаратор с дифференциальным входом (переход база-эмиттер Q1), состоящим из инвертирующего (база Q1) и неинвертирующего (эмиттер Q1) входов. Входное напряжение подается на инвертирующий вход, а выходное напряжение делителя напряжения подается на неинвертирующий вход, тем самым определяя его порог. Выход компаратора управляет второй каскадом с общим коллектором Q2 (последователем эмиттера) через делитель напряжения R1 R2. Транзисторы Q1 и Q2 с общей связью по эмиттеру фактически образуют электронный двухпозиционный переключатель, который переключает верхние части делителя напряжения и изменяет порог в противоположном (от входного напряжения) направлении. Эта конфигурация может рассматриваться как дифференциальный усилитель с последовательной положительной обратной связью между его неинвертирующим входом (базой Q2) и выходом (коллектором Q1), которая ускоряет процесс переключения. Также присутствует небольшая отрицательная обратная связь, обеспечиваемая эмиттерным резистором RE. Чтобы положительная обратная связь доминировала над отрицательной и обеспечить гистерезис, отношение между двумя коллекторными резисторами выбирается таким, чтобы RC1 > RC2. Таким образом, через RE протекает меньший ток и на нем падает меньшее напряжение, когда Q1 включен, чем когда включен Q2. В результате схема имеет два различных порога относительно земли (V− на рисунке).
Операция
Начальное состояние. Для NPN-транзисторов, показанных справа, представим, что входное напряжение ниже общего напряжения эмиттера (для конкретности – высокий порог), так что p-n переход база-эмиттер Q1 заперт и Q1 не проводит. Базовое напряжение Q2 определяется указанным делителем, поэтому Q2 проводит, а выходной сигнал триггера находится в низком состоянии. Два резистора RC2 и RE образуют еще один делитель напряжения, определяющий высокий порог. Пренебрегая VBE, значение высокого порога приблизительно равно.
Выходное напряжение низкое, но значительно выше земли. Оно приблизительно равно высокому порогу и может оказаться недостаточно низким для логического нуля в последующих цифровых схемах. Это может потребовать дополнительную схему сдвига после схемы триггера. Превышение высокого порога. Когда входное напряжение (базовое напряжение Q1) незначительно превышает напряжение на эмиттерном резисторе RE (высокий порог), Q1 начинает проводить. Его коллекторное напряжение падает, и Q2 начинает закрываться, поскольку делитель напряжения теперь обеспечивает более низкое базовое напряжение Q2. Общее напряжение эмиттера следует за этим изменением и падает, что способствует увеличению проводимости Q1. Ток начинает переключаться с правой части схемы на левую. Хотя Q1 проводит больше, через RE протекает меньший ток (поскольку RC1 > RC2); напряжение эмиттера продолжает падать, а эффективное напряжение база-эмиттер Q1 постоянно увеличивается. Этот лавинообразный процесс продолжается до тех пор, пока Q1 полностью не откроется (насытится), а Q2 не закроется. Триггер переходит в высокое состояние, а выходное напряжение (коллектор Q2) приближается к V+. Теперь два резистора RC1 и RE образуют делитель напряжения, определяющий низкий порог. Его значение приблизительно равно.
Превышение низкого порога. Когда триггер находится в высоком состоянии, если входное напряжение достаточно снижается (ниже низкого порога), Q1 начинает закрываться. Его коллекторный ток уменьшается; в результате общее напряжение эмиттера незначительно падает, а напряжение коллектора Q1 значительно возрастает. Делитель напряжения R1 R2 передает это изменение на базовое напряжение Q2, и Q2 начинает проводить. Напряжение на RE возрастает, еще больше снижая потенциал база-эмиттер Q1 тем же лавинообразным образом, и Q1 перестает проводить. Q2 полностью открывается (насыщается), и выходное напряжение снова становится низким.
Вариации
Неинвертирующая схема. Классический неинвертирующий триггер Шмитта может быть преобразован в инвертирующий триггер, снимая Vout с эмиттеров вместо коллектора Q2. В этой конфигурации выходное напряжение равно динамическому порогу (общему напряжению эмиттера), и оба выходных уровня остаются вдали от шин питания. Другой недостаток заключается в том, что нагрузка изменяет пороги, поэтому она должна быть достаточно высокой. Базовый резистор RB обязателен для предотвращения влияния входного напряжения через базово-эмиттерный переход Q1 на напряжение эмиттера. Схема с прямой связью. Для упрощения схемы можно опустить делитель напряжения R1–R2, соединив коллектор Q1 непосредственно с базой Q2. Базовый резистор RB также можно опустить, чтобы источник входного напряжения напрямую управлял базой Q1. В этом случае общее напряжение эмиттера и напряжение коллектора Q1 не подходят для использования в качестве выходов. В качестве выхода следует использовать только коллектор Q2, поскольку, когда входное напряжение превышает верхний порог и Q1 насыщается, его базово-эмиттерный переход открывается и передает изменения входного напряжения непосредственно на эмиттеры. В результате общее напряжение эмиттера и напряжение коллектора Q1 следуют за входным напряжением. Эта ситуация типична для перегруженных транзисторных дифференциальных усилителей и логических элементов ECL.
Сцепленная с коллектором схема
Как и любой триггер, базовая бистабильная схема с соединенными коллекторами обладает гистерезисом. Поэтому её можно преобразовать в триггер Шмитта, подключив дополнительный базовый резистор R к одному из входов (база Q1 на рисунке). Два резистора R и R4 образуют параллельный сумматор напряжений (обозначен кружком на блок-схеме выше), который суммирует выходное (коллектор Q2) напряжение и входное напряжение, и управляет однотактным транзистором Q1, выполняющим функцию компаратора. Когда напряжение на базе пересекает порог (VBE0 ≈ 0,65 В) в каком-либо направлении, к входному напряжению добавляется часть напряжения коллектора Q2 в том же направлении. Таким образом, выход изменяет входное напряжение посредством положительной обратной связи и не влияет на значение порога (напряжение база-эмиттер).
Сравнение схемы с соединением излучателя и коллектора
Версия с соединением по излучателю имеет то преимущество, что входной транзистор оказывается в обратном смещении, когда входное напряжение значительно ниже верхнего порога, что гарантирует его полное закрытие. Это было особенно важно при использовании германиевых транзисторов для реализации схемы, и это преимущество обусловило её популярность. Входной базовый резистор можно исключить, поскольку резистор в цепи излучателя ограничивает ток при прямом смещении входного база-эмиттерного перехода. Уровень логического нуля на выходе триггера Шмитта с соединением по излучателю может оказаться недостаточно низким и потребовать дополнительной схемы сдвига уровня. Триггер Шмитта с соединением по коллектору обеспечивает чрезвычайно низкий (почти нулевой) уровень выходного сигнала при логическом нуле.
Внедрение оп-усилителя
Триггеры Шмитта обычно реализуются с использованием операционного усилителя или специализированного компаратора. Операционный усилитель и компаратор в разомкнутом контуре можно рассматривать как аналого-цифровое устройство, имеющее аналоговые входы и цифровой выход, который определяет знак разности напряжений между двумя входами. Положительная обратная связь обеспечивается добавлением части выходного напряжения к входному напряжению последовательно или параллельно. Благодаря чрезвычайно высокому коэффициенту усиления операционного усилителя, коэффициент усиления в контуре также достаточно велик и обеспечивает лавинообразный процесс.
Неинвертирующий спусковой механизм Шмитта
В этой схеме два резистора R1 и R2 образуют параллельный сумматор напряжения. Он добавляет часть выходного напряжения к входному, тем самым увеличивая его во время и после переключения, которое происходит, когда результирующее напряжение близко к нулю. Эта параллельная положительная обратная связь создает необходимый гистерезис, который контролируется соотношением между сопротивлениями R1 и R2. Выход параллельного сумматора напряжения однополярный (он выдает напряжение относительно земли), поэтому схеме не требуется усилитель с дифференциальным входом. Поскольку обычные операционные усилители имеют дифференциальный вход, инвертирующий вход заземляется, чтобы установить точку отсчета в ноль вольт. Выходное напряжение всегда имеет тот же знак, что и входное напряжение операционного усилителя, но не всегда имеет тот же знак, что и входное напряжение схемы (знаки двух входных напряжений могут различаться). Когда входное напряжение схемы выше верхнего порога или ниже нижнего порога, выходное напряжение имеет тот же знак, что и входное напряжение схемы (схема неинвертирующая). Она действует как компаратор, переключающийся в разной точке в зависимости от того, высокий или низкий уровень на выходе компаратора. Когда входное напряжение схемы находится между порогами, выходное напряжение не определено и зависит от предыдущего состояния (схема ведет себя как простой триггер). Например, если триггер Шмитта в данный момент находится в высоком состоянии, выход будет установлен на положительную шину питания (+VS). Выходное напряжение V+ резистивного сумматора можно найти, применив теорему суперпозиции:
Компаратор переключится, когда V+=0. Тогда (тот же результат можно получить, применив принцип сохранения тока). Следовательно, должно опуститься ниже , чтобы произошло переключение выхода. После того, как выход компаратора переключился на -VS, порог переключения обратно в высокое состояние становится . Таким образом, эта схема создает полосу переключения, центрированную вокруг нуля, с уровнями срабатывания (ее можно сдвинуть влево или вправо, приложив смещение к инвертирующему входу). Входное напряжение должно подняться выше верхней границы полосы, а затем опуститься ниже нижней границы полосы, чтобы выход включился (плюс), а затем выключился (минус). Если R1 равен нулю или R2 стремится к бесконечности (т.е. разрыв цепи), полоса схлопывается до нулевой ширины, и схема ведет себя как стандартный компаратор. Передаточная характеристика показана на рисунке слева. Значение порога T определяется как , а максимальное значение выходного сигнала M равно напряжению питания. Уникальной особенностью схем с параллельной положительной обратной связью является их влияние на входной источник. В схемах с отрицательной параллельной обратной связью (например, в инвертирующем усилителе) виртуальная земля на инвертирующем входе отделяет входной источник от выхода операционного усилителя. Здесь виртуальной земли нет, и постоянное выходное напряжение операционного усилителя подается через сеть R1-R2 на входной источник. Выход операционного усилителя пропускает ток противоположного направления через входной источник (он вводит ток в источник, когда входное напряжение положительное, и отводит ток от источника, когда оно отрицательное). На рисунке справа показан практический триггер Шмитта с точными порогами. Передаточная характеристика имеет точно такую же форму, как и у предыдущей базовой конфигурации, и значения порогов также одинаковы. С другой стороны, в предыдущем случае выходное напряжение зависело от напряжения питания, а теперь оно определяется диодами Зенера (которые также можно заменить одним двойным анодным диодом Зенера). В этой конфигурации уровни выхода можно изменить, выбрав подходящий диод Зенера, и эти уровни устойчивы к колебаниям напряжения питания (т.е. они повышают PSRR компаратора). Резистор R3 ограничивает ток, протекающий через диоды, а резистор R4 минимизирует смещение входного напряжения, вызванное токами утечки на входе компаратора (см. ограничения реальных операционных усилителей).
Приложения
Триггеры Шмитта обычно используются в схемах с разомкнутым контуром для помехоустойчивости и в схемах с замкнутым контуром для реализации генераторов функций. Аналого-цифровое преобразование: триггер Шмитта фактически является однобитным аналого-цифровым преобразователем. Когда сигнал достигает определенного уровня, он переключается из низкого состояния в высокое. Обнаружение уровня: схема триггера Шмитта способна выполнять обнаружение уровня. При реализации этой функции необходимо учитывать напряжение гистерезиса, чтобы схема переключалась при требуемом напряжении. Прием сигналов по линиям связи: при передаче данных по линии, на которой может появиться шум, необходимо обеспечить, чтобы уровень логического выхода изменялся только при изменении данных, а не из-за случайного шума. Использование триггера Шмитта позволяет амплитуде шума достичь уровня гистерезиса прежде, чем произойдет ложное срабатывание.
Используется в качестве осциллятора
Триггер Шмитта — это бистабильный мультивибратор, который можно использовать для реализации другого типа мультивибратора, релаксационного генератора. Это достигается путем подключения одной RC-цепи интегрирования между выходом и входом инвертирующего триггера Шмитта. Выходом будет непрерывная прямоугольная волна, частота которой зависит от значений R и C, а также от пороговых уровней триггера Шмитта. Поскольку несколько триггеров Шмитта могут быть реализованы в одной интегральной схеме (например, устройство CMOS серии 4000 типа 40106 содержит 6 таких триггеров), свободный каскад интегральной схемы можно быстро использовать в качестве простого и надежного генератора, используя всего два внешних компонента. В данном случае используется триггер Шмитта на основе компаратора в инвертирующей конфигурации. Дополнительно, медленная отрицательная обратная связь обеспечивается интегрирующей RC-цепью. В результате, показанном на рисунке справа, выход автоматически переключается между уровнями VSS и VDD по мере заряда конденсатора от одного порога переключения триггера Шмитта к другому.