施密特觸發(fā)器

　　基本介紹

　　門電路有一個(gè)閾值電壓，當(dāng)輸入電壓從低電平上升到閾值電壓或從高電平下降到閾值電壓時(shí)電路的狀態(tài)將發(fā)生變化。施密特觸發(fā)器是一種特殊的門電路，與普通的門電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個(gè)閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓。在輸入信號(hào)從低電平上升到高電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為正向閾值電壓，在輸入信號(hào)從高電平下降到低電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為負(fù)向閾值電壓。正向閾值電壓與負(fù)向閾值電壓之差稱為回差電壓。

　　它是一種閾值開關(guān)電路，具有突變輸入——輸出特性的門電路。這種電路被設(shè)計(jì)成阻止輸入電壓出現(xiàn)微小變化（低于某一閾值）而引起的輸出電壓的改變。

　　利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋?zhàn)饔茫梢园堰呇刈兓徛闹芷谛孕盘?hào)變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號(hào)。輸入的信號(hào)只要幅度大于vt+，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號(hào)。

　　當(dāng)輸入電壓由低向高增加，到達(dá)V+時(shí)，輸出電壓發(fā)生突變，而輸入電壓Vi由高變低，到達(dá)V-，輸出電壓發(fā)生突變，因而出現(xiàn)輸出電壓變化滯后的現(xiàn)象，可以看出對(duì)于要求一定延遲啟動(dòng)的電路，它是特別適用的。

　　從傳感器得到的矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往發(fā)生波形畸變。當(dāng)傳輸線上的電容較大時(shí)，波形的上升沿將明顯變緩；當(dāng)傳輸線較長，而且接受端的阻抗與傳輸線的阻抗不匹配時(shí)，在波形的上升沿和下降沿將產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象；當(dāng)其他脈沖信號(hào)通過導(dǎo)線間的分布電容或公共電源線疊加到矩形脈沖信號(hào)時(shí)，信號(hào)上將出現(xiàn)附加的噪聲。無論出現(xiàn)上述的那一種情況，都可以通過用施密特反相觸發(fā)器整形而得到比較理想的矩形脈沖波形。只要施密特觸發(fā)器的vt+和vt-設(shè)置得合適，均能收到滿意的整形效果。

　　應(yīng)用

　　1. 波形變換

　　可將三角波、正弦波、周期性波等變成矩形波。

　　2. 脈沖波的整形

　　數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖在傳輸中經(jīng)常發(fā)生波形畸變，出現(xiàn)上升沿和下降沿不理想的情況，可用施密特觸發(fā)器整形后，獲得較理想的矩形脈沖。

　　3. 脈沖鑒幅

　　幅度不同、不規(guī)則的脈沖信號(hào)施加到施密特觸發(fā)器的輸入端時(shí)，能選擇幅度大于預(yù)設(shè)值的脈沖信號(hào)進(jìn)行輸出。

　　4、構(gòu)成多諧振蕩器

　　幅值不同的信號(hào)在通過加上一個(gè)合適電容的施密特觸發(fā)器后會(huì)產(chǎn)生矩形脈沖，矩形波脈沖信號(hào)，常用作脈沖信號(hào)源及時(shí)序電路中的時(shí)鐘信號(hào)。

　　常用芯片

　　74LS18雙四輸入與非門（施密特觸發(fā)）

　　74LS14六反相器（施密特觸發(fā)）

　　74132、74LS132、74S132、74F132、74HC132 2輸入四與非施密特觸發(fā)器觸發(fā)器

　　74221、74LS221、74 HC221、74 C221雙單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（有施密特觸發(fā)器）

　　用555定時(shí)器可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器

　　CD4093由四個(gè)2輸入施密特觸發(fā)器組成

　　實(shí)現(xiàn)

　　隧道二極管

　　施密特觸發(fā)器可以利用簡單的隧道二極管（英語：tunnel diode）實(shí)現(xiàn)，這種二極管的伏安特性在第一象限中是一條“N”形曲線。振蕩輸入會(huì)使二極管的伏安特性從“N”形曲線的上升分支移動(dòng)到另一分支，然后在輸入值超越上升和下降翻轉(zhuǎn)閾值時(shí)回到起點(diǎn)。不過，這類施密特觸發(fā)器的性能可以利用基于晶體管的元件來提升，因?yàn)榛诰w管的元件可以通過非常直接的利用正反饋來提升翻轉(zhuǎn)性能。

　　比較器

　　施密特觸發(fā)器常用接入正反饋的比較器來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于這一電路，翻轉(zhuǎn)發(fā)生在接近地的位置，遲滯量由R1與R2的阻值控制。

　　比較器提取了兩個(gè)輸入之差的符號(hào)。當(dāng)同相（+）輸入的電壓高于反相（-）輸入的電壓時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)到高工作電壓+Vs；當(dāng)同相（+）輸入的電壓低于反相（-）輸入的電壓時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)到低工作電壓-Vs。這里的反相（-）輸入是接地的，因此這里的比較器實(shí)現(xiàn)了函數(shù)符號(hào)，具有二態(tài)輸出的特性，只有高和低兩種狀態(tài)，當(dāng)同相（+）端連續(xù)輸入時(shí)總有相同的符號(hào)。

　　由于電阻網(wǎng)絡(luò)將施密特觸發(fā)器的輸入端（即比較器的同相（+）端）和比較器的輸出端連接起來，施密特觸發(fā)器的表現(xiàn)類似比較器，能在不同的時(shí)刻翻轉(zhuǎn)電平，這取決于比較器的輸出是高還是低。若輸入是絕對(duì)值很大的負(fù)輸入，輸出將為低電平；若輸入是絕對(duì)值很大的正輸入，輸出將為高電平，這就實(shí)現(xiàn)了同相施密特觸發(fā)器的功能。不過對(duì)于取值處于兩個(gè)閾值之間的輸入，輸出狀態(tài)同時(shí)取決于輸入和輸出。例如，如果施密特觸發(fā)器的當(dāng)前狀態(tài)是高電平，輸出會(huì)處于正電源+Vs上。這時(shí)V+就會(huì)成為Vin和+Vs間的分壓器。在這種情況下，只有當(dāng)V+=0（接地）時(shí)，比較器才會(huì)翻轉(zhuǎn)到低電平。由電流守恒，可知此時(shí)滿足下列關(guān)系：

　　公式

　　因此必須降低到低于-R1Vs/R2時(shí)，輸出才會(huì)翻轉(zhuǎn)狀態(tài)。一旦比較器的輸出翻轉(zhuǎn)到−Vs，翻轉(zhuǎn)回高電平的閾值就變成了+R1Vs/R2。這樣，電路就形成了一段圍繞原點(diǎn)的翻轉(zhuǎn)電壓帶，而觸發(fā)電平是±R1Vs/R2。只有當(dāng)輸入電壓上升到電壓帶的上限，輸出才會(huì)翻轉(zhuǎn)到高電平；只有當(dāng)輸入電壓下降到電壓帶的下限，輸出才會(huì)翻轉(zhuǎn)回低電平。若R1為0，R2為無窮大（即開路）。電壓帶的寬度會(huì)壓縮到0，此時(shí)電路就變成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)比較器 。輸出特性如右圖所示。閾值T由R1Vs/R2給出，輸出M的最大值是電源軌。 實(shí)際配置的非反相施密特觸發(fā)電路如下圖所示。

　　觸發(fā)器

　　輸出特性曲線與上述基本配置的輸出曲線形狀相同，閾值大小也與上述配置滿足相同的關(guān)系。不同點(diǎn)在于上例的輸出電壓取決于供電電源，而這一電路的輸出電壓由兩個(gè)齊納二極管確定。在這一配置中，輸出電平可以通過選擇適宜的齊納二極管來改變，而輸出電平對(duì)于電源波動(dòng)具有抵抗力，也就是說輸出電平提高了比較器的電源電壓抑制比（PSRR）。電阻R3用于限制通過二極管的電流，電阻R4將比較器的輸入漏電流引起的輸入失調(diào)電壓降低到最小。

　　兩個(gè)晶體管

　　在使用正反饋配置實(shí)現(xiàn)的施密特觸發(fā)器中，比較器自身可以實(shí)現(xiàn)的大部分復(fù)雜功能都沒有使用。因此，電路可以用兩個(gè)交叉耦合的晶體管來實(shí)現(xiàn)（即晶體管可以用另外一種方式來實(shí)現(xiàn)輸入觸發(fā)器級(jí)）。

　　基于2個(gè)晶體管的施密特觸發(fā)電路如下圖所示。通路RC1 R1 R2設(shè)定了晶體管T2的基極電壓，不過，這一分壓通路會(huì)受到晶體管T1的影響，如果T1開路，通路將會(huì)提供更高的電壓。因此，在兩個(gè)狀態(tài)間翻轉(zhuǎn)的閾值電壓取決于觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)。

　　對(duì)于如上所示的NPN晶體管，當(dāng)輸入電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于共射極電壓時(shí)，T1不會(huì)導(dǎo)通。晶體管T2的基極電壓由上述分壓電路決定。由于接入負(fù)反饋，共射極上所加的電壓必須幾乎與分壓電路上所確定的電壓幾乎一樣高，這樣就能使T2導(dǎo)通，并且觸發(fā)器的輸出是低電平狀態(tài)。當(dāng)輸入電壓（T1基極電壓）上升到比電阻RE上的電壓（射極電壓）稍高時(shí)，T1將會(huì)導(dǎo)通。當(dāng)T1開始導(dǎo)通時(shí)，T2不再導(dǎo)通，因?yàn)榇藭r(shí)分壓通路提供的電壓低于T2基極電壓，而射極電壓不會(huì)降低，因?yàn)門1此時(shí)消耗通過RE的電流。此時(shí)T2不導(dǎo)通，觸發(fā)器過渡到高電平狀態(tài)。

　　此時(shí)觸發(fā)器處于高電平狀態(tài)，若輸入電壓降低得足夠多，則通過T1的電流會(huì)降低，這會(huì)降低T2的共射極電壓并提高其基極電壓。當(dāng)T2開始導(dǎo)通時(shí)，RE上的電壓上升，然后會(huì)降低T1的基極－射極電位，T1不再導(dǎo)通。

　　在高電平狀態(tài)時(shí)，輸出電壓接近V+；但在低電平狀態(tài)時(shí)，輸出電壓仍會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于V−。因此在這種情況下，輸出電壓不夠低，無法達(dá)到邏輯低電平，這就需要在觸發(fā)器電路上附加放大器。

　　上述電路可以被簡化：R1可以用短路連接代替，這樣T2基極就直接連接到T1集電極，R2可以去掉并以開路代替。電路運(yùn)行的關(guān)鍵是當(dāng)T1接通（電流輸入基極的結(jié)果）時(shí)，通過RE的電流比T1截止時(shí)小，因?yàn)門1導(dǎo)通時(shí)會(huì)使T2截止，而當(dāng)T2導(dǎo)通時(shí)，相比T1會(huì)為RE提供更大的通過電流。當(dāng)流入RE的電流減小時(shí)，其上的電壓會(huì)降低，因此一旦電流開始流入T1，輸入電壓一定會(huì)降低以使T1回到截止?fàn)顟B(tài)，這是因?yàn)榇藭r(shí)T1的射極電壓已降低。這一施密特觸發(fā)緩沖器也可以變成一個(gè)施密特觸發(fā)反相器，而且在此過程中還能省去一個(gè)電阻，方法是將RK2以短接代替，并將Vout連接到T2射極而不是集電極。不過在這種情況下，RE的阻值應(yīng)該更大，因?yàn)榇藭r(shí)RE要充當(dāng)輸出端的下拉電阻，作用是當(dāng)輸出應(yīng)該為低電平時(shí)，其會(huì)降低輸出端的電壓。若RE的阻值較小，其上只能產(chǎn)生一個(gè)較小的電壓，在輸出應(yīng)該為數(shù)字低電平時(shí)，這一電壓實(shí)際上會(huì)提高輸出電壓。