Schmitt trigger - vista general

Durante el diseño del circuito de impulsos, el desarrollador puede necesitar un dispositivo de umbral que pueda formar una señal rectangular pura con ciertos valores de niveles de voltaje alto y bajo de la señal de entrada de forma no rectangular (por ejemplo, diente de sierra o sinusoidal).

El disparador Schmitt, un circuito con un par de estados de salida estables, que bajo la influencia de la señal de entrada, se reemplazan entre sí en un salto, es muy adecuado para este papel, es decir, la salida es una señal rectangular.

Un rasgo característico del disparador Schmitt es la presencia de un cierto rango entre los niveles de voltaje para la señal de entrada, cuando el voltaje de salida de la señal de entrada se conmuta a la salida de este disparador de un nivel bajo a uno alto y viceversa.

Esta propiedad del disparador Schmitt se llama histéresis, y la parte de la característica entre los valores de entrada umbral se llama región de histéresis. La diferencia entre los valores de umbral superior e inferior para la entrada del disparador Schmitt determina el ancho de su región de histéresis, que sirve como una medida de la sensibilidad del disparador. Cuanto más ancha es la región de histéresis, cuanto menos sensible es el disparador de Schmitt, más estrecha es la región de histéresis, mayor es su sensibilidad.

Los disparadores Schmitt están disponibles en forma de microcircuitos especializados, donde se pueden ubicar varios disparadores separados dentro de una carcasa. Tales microcircuitos tienen un cierto umbral de conmutación normalizado y dan frentes empinados en la salida, a pesar de la señal de entrada que está lejos de una forma rectangular. Además, el disparador Schmitt también se puede construir sobre la base de elementos lógicos, en cuyo caso el desarrollador tiene la oportunidad de establecer y ajustar con mucha precisión el ancho de la región de histéresis de su dispositivo de umbral.

Presta atención a la figura y considera más de cerca el principio del disparador Schmitt.

Aquí hay una ilustración esquemática de un elemento desencadenante, así como sus características de transferencia y tiempo. Como puede ver, cuando el nivel de señal de entrada Uin es inferior al umbral inferior Ufor.n, la salida de disparo Schmitt también tiene, en consecuencia, un nivel de bajo voltaje U0 cercano a cero.

En el proceso de aumentar el voltaje de la señal de entrada Uin, su valor primero alcanza el límite inferior de la región de histéresis Uпор.н, el umbral inferior, mientras que la salida, como antes, no cambia nada. E incluso cuando el voltaje de entrada Uin entra en la región de histéresis, y durante algún tiempo está dentro de él, entonces no sucede nada en la salida; la salida sigue siendo un voltaje de bajo nivel U0.

Pero tan pronto como el nivel del voltaje de entrada Uin se compara con el umbral superior de la región de histéresis Ufor.in (área de respuesta), la salida del disparador salta al estado de un nivel de alto voltaje U1. Si el voltaje de entrada Uin continúa aumentando aún más (dentro de los límites permitidos para el microcircuito), el voltaje de salida Uout ya no cambiará, ya que se alcanza uno de los dos estados estables: un nivel alto de U1.

Ahora, digamos que el voltaje de entrada Uin comenzó a disminuir. Al regresar a la región de histéresis, no hay cambios en la salida; el nivel sigue siendo alto U1. Pero tan pronto como el voltaje de la señal de entrada Uin es igual al límite inferior de la región de histéresis Uпн.н, la salida del disparador Schmitt salta al estado con un nivel de voltaje bajo U0. El trabajo del disparador Schmitt se basa en esto.

A veces, los disparadores Schmitt resultan útiles, donde el elemento lógico "I" se implementa dentro del microcircuito y el inversor "NO" se instala en la salida (disparador inversor Schmitt).En este caso, la característica de transferencia se verá al revés: cuando el voltaje va más allá del límite superior de la región de histéresis, aparece un nivel bajo en la salida del disparador Schmitt, y cuando regresa por debajo de la región de histéresis, aparece un nivel alto en la salida. Este es prácticamente un elemento AND-NOT con histéresis.

El gatillo Schmitt se puede ensamblar y en un amplificador operacional (amplificador operacional). Veamos una de las opciones para su implementación en términos generales. La entrada inversora del amplificador operacional está conectada a tierra, y la señal de entrada se alimenta a través de la resistencia R1 a la entrada no inversora del amplificador operacional. La salida del amplificador operacional a lo largo de la cadena de retroalimentación a través de la resistencia R2 está conectada a la entrada no inversora del amplificador operacional. El voltaje rectangular se elimina de la salida del amplificador operacional.

El voltaje en la salida del amplificador operacional está tradicionalmente determinado por la fórmula Uout = K * Ua. Por lo general, Uout.max es igual al voltaje de suministro del amplificador operacional (denotémoslo por la haya E), y K es la ganancia de amplificador, es del orden de 1,000,000. El voltaje de salida puede variar de + E a -E. Aquí no entraremos en detalles particulares, y para simplificar la comprensión, consideraremos un ejemplo vívido donde la resistencia de entrada y la resistencia en el circuito de retroalimentación son iguales entre sí: R1 = R2.

Entonces, al principio, cuando Uin = 0, por lo tanto, Ua = 0, entonces Uout = 0, ya que el voltaje en la entrada no inversora del amplificador operacional no excede el voltaje en su entrada inversora.

Si ahora Uvh aumenta ligeramente, entonces Ua también aumentará ligeramente. Entonces Uout aumentará significativamente (de acuerdo con el valor de K), ya que el voltaje en la entrada no inversora del amplificador operacional excederá el voltaje en su entrada inversora, que, como decidimos, está conectada a tierra. Luego, debido al hecho de que el punto Ua está entre las resistencias conectadas de acuerdo con el diagrama anterior, en el punto Ua el voltaje aumentará significativamente, se convertirá aproximadamente en Uout / 2, y debido a la avalancha de retroalimentación positiva, un voltaje estable Uout (igual al voltaje de suministro OS = E). Por lo tanto, el amplificador operacional entró en un estado estable con un alto nivel de voltaje de salida. Además, Ua = (E + Uin) / 2.

Si en este estado comenzamos a reducir Uin, incluso cuando sea igual a cero, entonces en el punto Ua todavía habrá E / 2, y en la salida del amplificador operacional seguirá habiendo un voltaje de alto nivel Uout = E.

Solo cuando Uin se vuelve igual a -E, solo entonces Ua se vuelve igual a cero, y la salida del amplificador operacional entra en un estado con un nivel de bajo voltaje (-E). En este caso, volverá a surgir una avalancha de retroalimentación: ahora Uout = -E, Ua = (Uin-E) / 2, y esto es mucho menor que en la entrada no inversora del amplificador operacional. El disparador ha entrado en un estado estable con un bajo nivel de salida. Para que ahora la salida del amplificador operacional vuelva a un estado alto, es necesario que Uin vuelva a ser igual a E, lo que causará otra avalancha de retroalimentación. Regresar al punto cero ya no ocurrirá.