施密特觸發(fā)器的主要應(yīng)用之一是 模擬電子和 數(shù)字電子之間的信號(hào)接口，以及不同邏輯系列中的電平轉(zhuǎn)換。

在此過(guò)程中遇到的一個(gè)主要問(wèn)題是噪聲的拾取。數(shù)字信號(hào)本質(zhì)上是快速的，因?yàn)樗鼈兲幚砀哳l和快速上升和下降沿。然而，另一方面（模擬）處理在上升和下降時(shí)間方面變化速度慢得多的信號(hào)。

為了解決這些問(wèn)題，我們將 使用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的施密特觸發(fā)器。因此，在本文中，我們將討論施密特觸發(fā)器的使用位置、工作原理以及如何使用運(yùn)算放大器構(gòu)建施密特觸發(fā)器。

為什么選擇施密特觸發(fā)器而不僅僅是運(yùn)算放大器比較器？

如果使用簡(jiǎn)單的比較器來(lái)檢測(cè)模擬信號(hào)何時(shí)越過(guò)閾值，由于緩慢的上升和下降時(shí)間，閾值電壓可能會(huì)發(fā)生多次轉(zhuǎn)換，這會(huì)導(dǎo)致輸出出現(xiàn)多個(gè)脈沖，這是不可取的。此行為類(lèi)似于開(kāi)關(guān)彈跳 ，如下圖所示。

施密特觸發(fā)器如何工作？

施密特觸發(fā)器是一種用作比較器的設(shè)備。名稱(chēng)中的觸發(fā)器一詞來(lái)自這樣一個(gè)事實(shí)，即它就像一個(gè)閂鎖，當(dāng)達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)觸發(fā)。

在這種情況下，它是一種在輸入越過(guò)某個(gè)電壓時(shí)立即改變高閾值和低閾值的設(shè)備。

這樣，由于閾值電壓在第一次轉(zhuǎn)換后發(fā)生變化，因此可以防止多次轉(zhuǎn)換。這可以防止由于從輸入中拾取的噪聲而在輸出上產(chǎn)生不需要的脈沖。

要理解這一點(diǎn)，看一下稱(chēng)為滯后圖的圖表會(huì)很有幫助，如下圖所示。

它顯示了輸入之間的關(guān)系以及閾值如何根據(jù)輸入而變化。

按照箭頭，輸入從地面開(kāi)始并不斷增加，直到它穿過(guò) V TR2。此時(shí)，輸出改變狀態(tài)并變高。

但即使輸入再次越過(guò) V TR2，輸出也不會(huì)改變狀態(tài)，因?yàn)殚撝惮F(xiàn)在已經(jīng)改變。輸入現(xiàn)在必須低于 V TR1以使輸出變低。

通過(guò)以這種方式改變閾值電壓，在對(duì)緩慢和嘈雜的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化時(shí)，可以防止多個(gè)輸出轉(zhuǎn)換。

如何使用運(yùn)算放大器作為施密特觸發(fā)器

運(yùn)算放大器可以用作比較器，但如果不改變閾值，它就會(huì)成為噪聲和不需要的輸出轉(zhuǎn)換的犧牲品。

使用一些可以改變閾值電平的分立部件很容易在運(yùn)算放大器中實(shí)現(xiàn)遲滯。在本例中，我們使用 IC 741運(yùn)算放大器構(gòu)建了施密特觸發(fā)器。選擇 741 是為了演示。運(yùn)算放大器使用 12V 電源軌供電。

運(yùn)算放大器的反相輸入作為信號(hào)輸入，反饋網(wǎng)絡(luò)圍繞同相輸入和輸出構(gòu)建。我在面包板上構(gòu)建了電路，使用運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)的施密特觸發(fā)器如下所示。現(xiàn)在，不要與板上所有額外的組件混淆。741 運(yùn)算放大器及其連接顯示在左側(cè)。在右側(cè)，我們有用于測(cè)試設(shè)置的鋸齒波發(fā)生器電路。如果您有波形發(fā)生器，則可以跳過(guò)此步驟。

閾值電壓由連接在電源和地之間的兩個(gè)電阻器設(shè)置。由于這里的電源電壓是12V，所以閾值電壓是6V。

另一個(gè)電阻連接在輸出和非反相輸入之間，用于改變閾值電壓。

中心閾值電壓由分壓器上的電阻值設(shè)置，并由以下公式給出：

V CTH = V IN ? （R B /（R T + R B ））

其中 VCTH 是中心閾值電壓，VIN 是輸入電壓，RB 是底部電阻，RT 是頂部電阻。

讓我們假設(shè)運(yùn)算放大器的輸出首先是低電平。這意味著連接在非反相輸入和輸出之間的電阻器并聯(lián)連接到分壓器上的底部電阻器。因此，下限閾值電壓由下式給出：

V BTH ≈ V IN ? （R B /（R T ? R H / （ R T + R H ） ） ）

其中 VBTH 是底部電壓閾值，VIN 是輸入電壓，RB 是底部電阻，RT 是頂部電阻，RH 是遲滯電阻。

當(dāng)運(yùn)算放大器的輸出變高時(shí)，反饋電阻現(xiàn)在與分壓器的頂部電阻并聯(lián)，閾值電壓現(xiàn)在由下式給出：

V TTH ≈ V IN ? （R B /（R B ? R H / （ R B + R H ） ） ）

其中 VTTH 是最高電壓閾值，RB 是底部電阻，RH 是遲滯電阻。應(yīng)用滯后的結(jié)果非常顯著。

上圖顯示了沒(méi)有遲滯的波形——黃色波形是輸入——鋸齒波疊加了方波來(lái)模擬噪聲，粉色波形是閾值電壓，藍(lán)色波形是輸出波形。由于輸入通過(guò)閾值電壓的多次轉(zhuǎn)換，輸出波形在下降沿上有不需要的尖峰。

需要注意的幾點(diǎn)：

1. 必須在磁滯電阻上并聯(lián)一個(gè)小電容，以確保穩(wěn)定性和快速響應(yīng)。

2. 輸出擺幅的限制可能表現(xiàn)為遲滯閾值的誤差，因?yàn)檫t滯電阻器沒(méi)有直接連接到電源或地，而是連接到相同的上方和下方的幾個(gè)二極管壓降，因?yàn)檫\(yùn)算放大器的輸出級(jí)。

上圖顯示了將運(yùn)算放大器配置為施密特觸發(fā)器如何解決此問(wèn)題。輸出波形現(xiàn)在很干凈，沒(méi)有噪聲或不需要的過(guò)渡。還可以清楚地看到，閾值電壓在每個(gè)高電平和低電平轉(zhuǎn)換之間發(fā)生變化。您還可以在下面鏈接的視頻中查看完整的工作演示。

使用運(yùn)算放大器作為比較器的注意事項(xiàng)：

1. 運(yùn)算放大器被設(shè)計(jì)為放大器，因此它們的輸出級(jí)不適合快速擺動(dòng)。在其中一個(gè)軌道飽和后，輸出可能需要一些時(shí)間才能恢復(fù)，這會(huì)導(dǎo)致速度損失。

2. 運(yùn)算放大器輸出受壓擺率限制，這可能違反某些數(shù)字系統(tǒng)的邊沿時(shí)序要求。

3. 運(yùn)算放大器輸入通常有一個(gè)共模輸入限制，如果超過(guò)此限制，可能會(huì)導(dǎo)致輸出反相等問(wèn)題。