Триггер шмитта на транзисторах схема

В статье показано, каким образом, добавив цепь положительной обратной связи к паре Дарлингтона, можно создать триггер Шмитта с очень большим коэффициентом усиления тока (в типичном случае – 10,000). Я не знаю каких-либо решений, сравнимых по характеристикам, за исключением интегральных схем. Тем не менее, эта очень простая схема успешно выполняет универсальные функции. Схему можно рассчитать на работу с токами нагрузки от единиц миллиампер до ампер, причем при низких токах ее входное сопротивление может превышать 100 МОм.

На Рисунке 1 показана упрощенная схема в версии с входным NPN транзистором и активным низким уровнем, а на Рисунке 2 – с PNP транзистором и активным высоким уровнем. R₂ и R₃ (с учетом R_L) задают напряжение на эмиттере Q₁. Когда входное напряжение V_IN возрастает от нуля до значения V_IN(ON), определяемого выражением (1), Q₁ начинает включаться. Возрастающий ток его коллектора, усиливаемый транзистором Q₂, будет приводить к снижению выходного напряжения V_OUT, вследствие чего напряжение на эмиттере Q₁ будет уменьшаться, еще больше открывая транзистор. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока Q₁ не войдет в насыщение. Предполагается, что положительная обратная связь через резистор R₃ больше, чем отрицательная, обусловленная током эмиттера Q₁.

Рисунок 1.	Триггер Шмитта на двух транзисторах.

В этом и последующих уравнениях V_BE и V_CE с соответствующими индексами обозначают напряжения база-эмиттер и коллектор-эмиттер транзисторов Q₁ и Q₂.

(1)

Последнее иллюстрируется неравенством (2), которое должно выполняться, по крайней мере, с двукратным запасом. (В этой формуле β₁ и β₂ обозначают коэффициенты усиления токов транзисторов Q₁ и Q₂, соответственно, а R_S – сопротивление источника сигнала V_IN). Чем строже неравенство, тем большей будет величина гистерезиса.

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Решая неравенство (2), можно, в соответствии с выражениями (3) и (4), определить границы допустимых значений сопротивления нагрузки R_L и входного сопротивления R_IN (в нашей схеме оно обозначено как R₁). Кроме того, из (4) и (5) определяем граничное значение R₃, которое должно быть, по крайней мере, в β₂ раз больше, чем R_L, чтобы сопротивление R_IN было положительным. Типичное значение R₃ не превысит половины от этой величины. Очевидно, что это будет справедливо, если коэффициент усиления Q₂ велик. Выбрав R₃ и V_IN(ON), можно по формуле (6) рассчитать R₂.

В состоянии «включено» напряжение V_OUT приблизительно описывается выражением (7), где оно обозначено как V_OUT(ON). Поскольку основной член выражения зависит от усиления Q₂, измеренное напряжение обычно несколько отличается, но в типичном случае не выходит за пределы диапазона 2…3 В.

Рисунок 2.	Версия с активным высоким уровнем.

Ток, протекающий через R_IN, увеличивает падение напряжения V_R2 на резисторе R₂ (уравнение 9), и если сопротивление R₁ слишком мало, этот ток станет чрезмерно большим. (В предельном случае, если R_IN равно 0, напряжение V_OUT будет повторять V_IN). При снижении входного напряжения V_IN выход останется включенным до тех пор, пока Q₁ не выйдет из насыщения. В этот момент положительная обратная связь выключит как Q₁, так и Q₂. Напряжение V_IN(OFF), при котором этом произойдет, можно найти с помощью выражения (8). В связи с тем, что, скорее всего, вы захотите выбирать сопротивление R₂, минимальным, чтобы минимизировать выходное напряжение низкого уровня, уровень V_IN(OFF) будет зависеть от сопротивления резистора R₁, но, опять же, значение V_IN(OFF) зависит от коэффициентов усиления β транзисторов Q₁ и Q₂.

(7)

(8)

(9)

Это неточное определение точки выключения является одним из недостатков предлагаемой схемы. Однако для множества приложений высокая точность и не требуется. Как правило, сопротивления R₂ и R₃ вы будете выбирать минимально допустимыми с точки зрения возможности практической реализации схемы, не забывая про ток покоя, протекающий через R_L. Сопротивление R₁ может быть настолько большим, насколько это необходимо, но с учетом как ограничения, задаваемого уравнением (4), так и желаемого уровня V_IN(OFF). Еще одним существенным недостатком можно считать относительно высокое напряжение на открытом транзисторе Q₂, что при токах, превышающих несколько ампер, делает использование схемы непрактичным. Все вышесказанное делает нишей целесообразного использования схемы устройства с более высокими напряжениями и токами, чем это возможно реализовать на большинстве интегральных схем.

Рисунок 3.	Дополнения для практической реализации.

На Рисунке 3 изображена схема из Рисунка 1, в которую добавлены три дополнительных компонента, сделавших ее пригодной для множества практических приложений. Диод D₁ защищает переход база-эмиттер транзистора Q₁ от пробоя в том случае, если в выключенном состоянии напряжение не эмиттере превысит 6…7 В. D₂ уменьшает вклад R₃ в выходное напряжение открытой схемы. D₂ особенно необходим в случае, если R₃ вы сделаете равным или меньшим R₂. R₄ способствует более уверенному закрыванию транзистора Q₂ и предохраняет его от включения током утечки Q₁.

В качестве Q₂ можно использовать транзистор Дарлингтона. (Аналогичная замена транзистора Q₁ существенного выигрыша не даст). Кроме того, любой из транзисторов, или оба можно заменить на MOSFET, соответствующим образом изменив расчетные уравнения.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Триггер Шмитта (говорить Шмидта и Шмита не корректно)- это особый вид триггера который так же имеет два устойчивых состояния (логический ноль или логическая единица), но работает несколько иначе- переключение триггера Шмитта происходит лишь при определенной амплитуде входного сигнала и удержание триггера в устойчивом состоянии возможно лишь пока уровень входного сигнала выше порога срабатывания триггера.

В общем триггер Шмитта это некое пороговое устройство: когда сигнал на входе достиг порогового значения он открывается и будет держаться в открытом состоянии пока уровень входного сигнала не упадет ниже порога срабатывания .

Область применения триггеров Шмитта:
1. Преобразование аналогового сигнала в цифровой. В случаях когда требуется получить из аналогового сигнала прямоугольные импульсы/
2. В качестве дискриминаторов- когда необходимо отделить сигналы с разной амплитудой. Используется несколько триггеров Шмитта с разным порогом срабатывания.
3. В качестве компаратора- сравнивающего устройства.

Триггер Шмитта на транзисторах

А теперь давайте рассмотрим как работает триггер Шмита на транзисторах.
Схема триггера Шмитта на транзисторах на рисунке ниже:

При нулевом напряжении на входе транзистор T1 заперт а транзистор T2, наоборот- в открытом состоянии (на его базе присутствует напряжение смещения через резисторы Rc1, R1 и R2. Напряжение на выходе Vout будет практически уравновешено между питающими потенциалами и будет соответствовать логическому "нулю"

Если на вход Vin начать подавать аналоговый сигнал то по достижении порога открытия транзистора T1(а этот порог можно менять базовым смещением, которое на рисунке не указано) он начнет открываться, забирая тем самым ток с базы транзистора T2.
Транзистор T2 начнет запираться и следовательно будет уменьшаться и напряжение на резисторе Re, что приведет к увеличению скорости отпирания транзистора T1.
Таким образом переключение транзисторов в триггере произойдет практически мгновенно, транзистор T2 закроется и на выходе Vout будет присутствовать логическая "единица".

При падении сигнала на входе Vin все произойдет наоборот: транзистор T1 начнет запираться, ток базы транзистора T2 начнет увеличиваться, он будет открываться и потенциал на общем резисторе Re начнет повышаться. Увеличение этого потенциала приведет к ускорению запирания транзистора T1.

Ещё одной бистабильнойячейкой может быть служить несимметричный триггер или триггерШмитта. В основном он применяется для преобразования синусоидальных, пилообразных (линейно-изменяющихся) и других колебаний в колебания напряжения прямоугольной формы. Для простоты его устойчивые состояния тоже опредлим «нулевым» и «единичным», но главная его функция – формирование прямоугольных импульсов. Принципиальная схема типового триггера Шмитта представлена на рис. 16.5.

Рис. 16.5. Принципиальная схема триггера Шмитта

Все компоненты триггера знакомы по ранее рассмотренным схемам:

– два резисторных усилителя на транзисторах VT1 иVT2, гдеR3 >R6;

– резистор общей эмиттерной нагрузки – элемент отрицательной обратной связи R7.

При подключении схемы к источнику постоянного напряжения U_ипона самопроизвольно принимает исходное –нулевоесостояние: транзисторVT1 – закрыт иVT2 – открыт (подобно начальному состоянию одновибратора). При этом в схеме протекают четыре постоянных токаI_дел1,I_дел2,I_Б2иI_К2, которые создают на соответствующих резисторах прямо пропорциональные им падения напряжения (закон Ома). В результате их действия к базам транзисторов приложены следующие напряжения (разности потенциалов):

При этом напряжение – U_{Б VT1}=I_дел1R2 –U_R7= –Е₁называетсяпервым пороговымнапряжением, величина которого всецело определяется параметрами схемы. Это состояние устойчиво, так как нет внутренних причин для его изменения. Открыть транзисторVT1 можно только подачей внешнего напряжения положительной полярности и амплитудойU_{вх m}> Е₁. При этом напряжениеU_{К VT1}становится равным 0 и через цепь второго делителя уже не может компенсировать запирающее действие напряжение обратной связи, формируемое в этот период токами транзистораVT1:

Рис. 16.6. Временные диаграммы работы триггера Шмитта

аряду с асинхронными триггерами в настоящее время активно совершенствуются и используютсясинхронныеилитактируемыетриггеры. В них действие установочных сигналов возможно только в моменты подачи специальных синхронизирующих 1 импульсов, поступающих через отдельный управляющийС-вход.

Из синхронныхтриггеров наиболее распространёнуниверсальныйJK-триггер с динамическимС-входом синхроимпульсов, УГО которого при выполнении функцийJK-,T—иRS-триггеров показаны на рис. 16.7.

Рис. 16.7. УГО JK-триггера (а) и его использование какT—триггер (б)

Название универсальныйJK-триггер получил потому, что он позволяет

путём несложной коммутации его J-,K— иС— входов организовать выполнение функций асинхронныхТ— иRS— триггеров.

Более сложную функциональную нагрузку может нести JK-триггер (рис. 13.6.8).JиK– входы такого уст­ройства – управляющие, аC— тактовый. Подавая на входыJиKлогические "1" и "0" можно установить не­обходимое состояние выходаQ, т.е.JK-триггер работает какRS-триггер. КогдаJ=K=1 данное устройство перебрасыва­ется в противоположное состояние (по приходу тактового импульса) т.е. работает как двоичный счетчик (илиТ– триггер). СостояниеJ=K=0 – хранение информации. КромеJиKвходов схема может иметь и нетактируемыеRиSвходы. РаботаJK-триггера описывается таблицей истинности 16.1, из анализа данных которой следует, что при комбинациях УС:J = 1 иК= 0 (третья строка),J = 1 иК= 1 (четвертая и восьмая строки) а также приJ = 0 иК= 1 (шестая строка) триггер инвертирует (изменяет) своё предыдущее состояниеQ t вQ t +1 .

Таблица истинности для JK-триггеров