施密特触发器波形、电路图和应用特点
施密特触发器是具有两个稳定状态的多谐振荡器,并且输出保持在其中一个稳定状态。当输入信号近似激活时,会发生从一种稳定状态到另一种状态的变化。
多谐振荡器的操作需要一个具有正反馈且环路增益高于单位增益的运算放大器,该电路经常用于通过逐渐改变边界朝向数字电路中使用的锐边以及开关去抖动来改变方波。
施密特触发器的定义
简单来说,施密特触发器可以定义为一个再生比较器,它采用正反馈并将正弦输入转换为方波输出。施密特触发器的输出在上下阈值电压处摆动,这是输入波形的参考电压。它是一种双稳态电路,当输入达到某个设计的阈值电压电平时,输出在两个稳态电压电平(高和低)之间摆动。
(图一)
施密特触发器分为两种类型,即反相施密特触发器和同相施密特触发器。反相施密特触发器可以定义为一个输出元件连接到运算放大器的正端。类似地,同相施密特触发器可以定义为输入信号在运算放大器的负端给出。
在反相施密特触发器中,输入应用于运算放大器的反相端,其产生的输出极性相反,该输出应用于同相端以确保正反馈,电路图如下:
同相施密特触发器的输入被施加到运算放大器的同相输入端,输出电压通过电阻R1反馈到同相端,其电路图如下:
施密特触发器特性和波形图
施密特触发的输入和输出波形如下所示,图一所示电路图:
可以看到,在传递特性中可以得到一个矩形,这称为磁滞回线。上图表明,在输入电压超过任何阈值电平之前,输出将无限期地保持在该状态。传输特性如下所示。
注意:该滞后环也称为死区或死区,因为输出没有变化(即不响应输入信号)
使用晶体管的施密特触发器
使用晶体管的施密特触发器电路如下图所示,下面的电路可以用基本的电子元件构建,但两个晶体管是这个电路必不可少的元件。
当输入电压 (Vin) 为 0V 时,T1晶体管将不导通,而T2晶体管将由于1.98v参考电压 (Vref) 导通。在节点B,可以将电路视为分压器,借助以下表达式计算电压。
Vin = 0V, Vref = 5V
Va = (Ra + Rb/ Ra + Rb + R1) * Vref,Vb = (Rb/Rb + R1 + Ra) * Vref
T2晶体管的导通电压低,晶体管发射极端子电压为0.7V,小于晶体管基极端子电压1.28 V。
因此,当增加输入电压时,T1晶体管的值可以交叉,因此晶体管将导通,这将是晶体管T2的基极端电压下降的原因。当T2晶体管不再导通时,输出电压将增加。随后,T1晶体管基极端子的Vin(输入电压)将开始拒绝,它将停用晶体管,因为晶体管基极端子电压将高于其发射极端子的0.7V。
当晶体管进入正向激活模式时,发射极电流拒绝终止时,就会发生这种情况。所以集电极电压会升高,T2晶体管的基极端也会升高。这将导致很少电流流过T2晶体管,进一步降低晶体管发射极的电压并关闭 T1晶体管。在这种情况下,输入电压需要降低1.3V才能停用T1晶体管。所以最后两个阈值电压将是1.9V和1.3V。
使用741运算放大器的施密特触发器
使用741运算放大器的施密特触发器,其UTP代表上触发点,而LTP代表下触发点。滞后可以定义为当输入高于某个选定阈值 (UTP) 时,输出为低。当输入低于阈值 (LTP) 时,输出为高;当输入介于两者之间时,输出保持其当前值,这种双重阈值动作称为滞后。
在本文中,V 滞后 = UTP-LTP
上阈值(触发)点、下阈值(触发)点——这些是比较输入信号的点。UTP的值和上述电路的LTP包括:
UTP = +V * R2 / (R1 + R2)
LTP = -V* R2 /(R1 + R2)
当要比较两个级别时,边界可能会出现振荡(或波动)。具有迟滞可防止这种振荡问题得到解决。比较器始终与固定参考电压(单参考)进行比较,而施密特触发器与称为UTP和LTP的两种不同电压进行比较。
使用运算放大器741电路的上述施密特触发器的UTP和LTP值,可以使用以下等式计算:
使用IC 555的施密特触发器
使用IC555的施密特触发器电路图如下所示,下面的电路可以用基本的电子元件组成,但IC555是这个电路中必不可少的元件。IC的两个引脚(例如引脚 4 和引脚 8)都与Vcc 电源相连。两个引脚(如 2 和 6)短接,通过电容器将输入相互提供给这些引脚。
在上图中,两个引脚的相互点可以使用可以由两个电阻即R1和R2形成的分压器规则提供外部偏置电压 (Vcc/2) 。输出保持其值,而输入位于称为滞后的两个阈值之间。该电路可以像存储元件一样工作。
阈值为2/3Vcc &1/3Vcc。高级比较器在2/3Vcc 下运行,而次要比较器在 1/3Vcc 电源下运行。使用单独的比较器将关键电压与两个阈值进行对比。触发器(FF)因此被排列或重新排列,输出将根据此变高或变低。
施密特触发器的应用
施密特触发器的用途包括以下几个方面内容:
- 主要用于将正弦波变为方波。
- 必须用于开关去抖动电路中,以应对嘈杂的否则缓慢的输入要求,例如清理或加速。
- 通常用于消除数字电路中信号噪声的信号调理等应用。
- 用于实现用于闭环负响应设计的张弛振荡器。
- 用于开关电源以及函数发生器。
总结
以上就是关于施密特触发器基础理论知识,施密特触发器在模拟和数字数字电路的几个应用中都可以看到。施密特触发器的缺点是其电源范围窄、部分接口容量、输入阻抗小和输出特性不稳定,虽然可以使用分立器件进行设计,以得到更精确的参数,但是,这需要时间来设计。