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施密特触发器

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施密特触发器有两个稳定状态,但与一般触发器不同的是,施密特触发器采用电位触发方式,其状态由输入信号电位维持;对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号,施密特触发器有不同的阈值电压。

对于标准施密特触发器,当输入电压高于正向阈值电压,输出为低;当输入电压低于负向阈值电压,输出为高;当输入在正负向阈值电压之间,输出不改变,也就是说输出由高电准位翻转为低电准位,或是由低电准位翻转为高电准位时所对应的阈值电压是不同的。只有当输入电压发生足够的变化时,输出才会变化,因此将这种元件命名为触发器。这种双阈值动作被称为

,表明施密特触发器有记忆性。从本质上来说,施密特触发器是一种双稳态多谐振荡器。

施密特触发器可作为波形整形电路,能将模拟信号波形整形为数字电路能够处理的方波波形,而且由于施密特触发器具有滞回特性,所以可用于抗干扰,其应用包括在开回路配置中用于抗扰,以及在闭回路正回授/负回授配置中用于实现多谐振荡器。

门电路有一个阈值电压,当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。施密特触发器是一种特殊的门电路,与普通的门电路不同,施密特触发器有两个阈值电压,分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压,在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。

它是一种阈值开关电路,具有突变输入——输出特性的门电路。这种电路被设计成阻止输入电压出现微小变化(低于某一阈值)而引起的输出电压的改变。

利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用,可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于vt+,即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。

当输入电压由低向高增加,到达V+时,输出电压发生突变,而输入电压Vi由高变低,到达V-,输出电压发生突变,因而出现输出电压变化滞后的现象,可以看出对于要求一定延迟启动的电路,它是特别适用的.

从传感器得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。当传输线上的电容较大时,波形的上升沿将明显变缓;当传输线较长,而且接受端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时,在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象;当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时,信号上将出现附加的噪声。无论出现上述的那一种情况,都可以通过用施密特反相触发器整形而得到比较理想的矩形脉冲波形。只要施密特触发器的vt+和vt-设置得合适,均能收到满意的整形效果。

施密特触发器可以利用简单的隧道二极管(英语:tunnel diode)实现,这种二极管的伏安特性在第一象限中是一条“N”形曲线。振荡输入会使二极管的伏安特性从“N”形曲线的上升分支移动到另一分支,然后在输入值超越上升和下降翻转阈值时回到起点。不过,这类施密特触发器的性能可以利用基于晶体管的元件来提升,因为基于晶体管的元件可以通过非常直接的利用正反馈来提升翻转性能。

施密特触发器常用接入正反馈的比较器来实现。对于这一电路,翻转发生在接近地的位置,迟滞量由R1与R2的阻值控制。

比较器提取了两个输入之差的符号。当同相(+)输入的电压高于反相(-)输入的电压时,比较器输出翻转到高工作电压+Vs;当同相(+)输入的电压低于反相(-)输入的电压时,比较器输出翻转到低工作电压-Vs。这里的反相(-)输入是接地的,因此这里的比较器实现了函数符号,具有二态输出的特性,只有高和低两种状态,当同相(+)端连续输入时总有相同的符号。

由于电阻网络将施密特触发器的输入端(即比较器的同相(+)端)和比较器的输出端连接起来,施密特触发器的表现类似比较器,能在不同的时刻翻转电平,这取决于比较器的输出是高还是低。若输入是绝对值很大的负输入,输出将为低电平;若输入是绝对值很大的正输入,输出将为高电平,这就实现了同相施密特触发器的功能。不过对于取值处于两个阈值之间的输入,输出状态同时取决于输入和输出。例如,如果施密特触发器的当前状态是高电平,输出会处于正电源+Vs上。这时V+就会成为Vin和+Vs间的分压器。在这种情况下,只有当V+=0(接地)时,比较器才会翻转到低电平。由电流守恒,可知此时满足下列关系:

因此必须降低到低于-R1Vs/R2时,输出才会翻转状态。一旦比较器的输出翻转到−Vs,翻转回高电平的阈值就变成了+R1Vs/R2。这样,电路就形成了一段围绕原点的翻转电压带,而触发电平是±R1Vs/R2。只有当输入电压上升到电压带的上限,输出才会翻转到高电平;只有当输入电压下降到电压带的下限,输出才会翻转回低电平。若R1为0,R2为无穷大(即开路)。电压带的宽度会压缩到0,此时电路就变成一个标准比较器 。输出特性如右图所示。阈值

输出特性曲线与上述基本配置的输出曲线形状相同,阈值大小也与上述配置满足相同的关系。不同点在于上例的输出电压取决于供电电源,而这一电路的输出电压由两个齐纳二极管确定。在这一配置中,输出电平可以通过选择适宜的齐纳二极管来改变,而输出电平对于电源波动具有抵抗力,也就是说输出电平提高了比较器的电源电压抑制比(PSRR)。电阻

在使用正反馈配置实现的施密特触发器中,比较器自身可以实现的大部分复杂功能都没有使用。因此,电路可以用两个交叉耦合的晶体管来实现(即晶体管可以用另外一种方式来实现输入

级)。基于2个晶体管的施密特触发电路如下图所示。通路RC1 R1 R2设定了晶体管T2的基极电压,不过,这一分压通路会受到晶体管T1的影响,如果T1开路,通路将会提供更高的电压。因此,在两个状态间翻转的阈值电压取决于触发器的现态。

对于如上所示的NPN晶体管,当输入电压远远低于共射极电压时,T1不会导通。晶体管T2的基极电压由上述分压电路决定。由于接入负反馈,共射极上所加的电压必须几乎与分压电路上所确定的电压几乎一样高,这样就能使T2导通,并且触发器的输出是低电平状态。当输入电压(T1基极电压)上升到比电阻RE上的电压(射极电压)稍高时,T1将会导通。当T1开始导通时,T2不再导通,因为此时分压通路提供的电压低于T2基极电压,而射极电压不会降低,因为T1此时消耗通过RE的电流。此时T2不导通,触发器过渡到高电平状态。

此时触发器处于高电平状态,若输入电压降低得足够多,则通过T1的电流会降低,这会降低T2的共射极电压并提高其基极电压。当T2开始导通时,RE上的电压上升,然后会降低T1的基极-射极电位,T1不再导通。

在高电平状态时,输出电压接近V+;但在低电平状态时,输出电压仍会远远高于V−。因此在这种情况下,输出电压不够低,无法达到逻辑低电平,这就需要在触发器电路上附加放大器。

上述电路可以被简化:R1可以用短路连接代替,这样T2基极就直接连接到T1集电极,R2可以去掉并以开路代替。电路运行的关键是当T1接通(电流输入基极的结果)时,通过RE的电流比T1截止时小,因为T1导通时会使T2截止,而当T2导通时,相比T1会为RE提供更大的通过电流。当流入RE的电流减小时,其上的电压会降低,因此一旦电流开始流入T1,输入电压一定会降低以使T1回到截止状态,这是因为此时T1的射极电压已降低。这一施密特触发缓冲器也可以变成一个施密特触发反相器,而且在此过程中还能省去一个电阻,方法是将RK2以短接代替,并将Vout连接到T2射极而不是集电极。不过在这种情况下,RE的阻值应该更大,因为此时RE要充当输出端的下拉电阻,作用是当输出应该为低电平时,其会降低输出端的电压。若RE的阻值较小,其上只能产生一个较小的电压,在输出应该为数字低电平时,这一电压实际上会提高输出电压。

数字系统中,矩形脉冲在传输中经常发生波形畸变,出现上升沿和下降沿不理想的情况,可用施密特触发器整形后,获得较理想的矩形脉冲。

幅度不同、不规则的脉冲信号施加到施密特触发器的输入端时,能选择幅度大于预设值的脉冲信号进行输出。

幅值不同的信号在通过加上一个合适电容的施密特触发器后会产生矩形脉冲,矩形波脉冲信号,常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。

74132、74LS132、74S132、74F132、74HC132 2输入四与非施密特触发器触发器

74221、74LS221、74 HC221、74 C221双单稳态多谐振荡器(有施密特触发器)

Ulrich Tietze, Christoph Schenk. Halbleiterschaltungstechnik. Springer. 2002年12月: 612-615. ISBN 3-540-42849-6

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