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基于運(yùn)算放大器的施密特觸發(fā)器電路及應(yīng)用

發(fā)布時(shí)間:2020-11-10 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在本文中,我們將介紹施密特觸發(fā)器,使用晶體管、運(yùn)放的一些基本實(shí)現(xiàn),施密特觸發(fā)器如何工作以及一些重要的應(yīng)用。
 
介紹
 
當(dāng)在不使用反饋的開環(huán)模式下(例如在基本比較器電路中)操作運(yùn)算放大器時(shí),運(yùn)算放大器的非常大的開環(huán)增益將導(dǎo)致最小的噪聲電壓來觸發(fā)比較器。
 
如果將比較器用作過零檢測器,則這種錯(cuò)誤觸發(fā)會引起很多問題。由于噪聲的過零而不是實(shí)際輸入信號的過零,因此可能會給出錯(cuò)誤的過零指示。
 
為了避免在輸出的高低狀態(tài)之間進(jìn)行這種不必要的切換,使用了一種稱為施密特觸發(fā)器的特殊電路,該電路涉及一個(gè)正反饋。
 
什么是施密特觸發(fā)器?
 
施密特觸發(fā)器由奧托·施密特(Otto Schmitt)于1930年代初發(fā)明。它是一種在正反饋的幫助下將遲滯添加到輸入輸出轉(zhuǎn)換閾值的電子電路。這里的磁滯意味著它為上升沿和下降沿提供了兩個(gè)不同的閾值電壓電平。
 
本質(zhì)上,施密特觸發(fā)器是雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器,其輸出會無限期地保持在任何一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。為了使輸出從一種穩(wěn)定狀態(tài)變?yōu)榱硪环N穩(wěn)定狀態(tài),輸入信號必須適當(dāng)?shù)刈兓ɑ蛴|發(fā))。
 
施密特觸發(fā)器的這種雙穩(wěn)態(tài)操作需要具有正反饋(或再生反饋)且環(huán)路gin大于1的放大器。因此,施密特觸發(fā)器也被稱為再生比較器。
 
基于運(yùn)算放大器的施密特觸發(fā)器電路及應(yīng)用
 
例如,如果我們有一個(gè)如下所示的噪聲輸入信號,則施密特觸發(fā)器電路的兩個(gè)閾值將正確確定脈沖。因此,施密特觸發(fā)器的基本功能是將有噪聲的方波,正弦波,三角波或任何周期性信號轉(zhuǎn)換為具有尖銳前緣和后緣的干凈的方波。
 
使用晶體管的施密特觸發(fā)器
 
如前所述,施密特觸發(fā)器基本上是一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)電路,其輸出狀態(tài)由輸入信號控制。因此,它可用作電平檢測電路。以下電路顯示了基于晶體管的施密特觸發(fā)器的簡單設(shè)計(jì)。
 
基于運(yùn)算放大器的施密特觸發(fā)器電路及應(yīng)用
 
即使該電路看起來像典型的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路,但實(shí)際上卻有所不同,因?yàn)樵撾娐啡鄙購腝2的集電極到Q1的輸入的耦合。Q1和Q2的發(fā)射極相互連接并通過R E接地。同樣,R E充當(dāng)反饋路徑。
 
基于運(yùn)算放大器的施密特觸發(fā)器電路
 
由于施密特觸發(fā)器電路本質(zhì)上是具有正反饋的放大器,因此可以使用運(yùn)算放大器或簡單地使用運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)此設(shè)置。根據(jù)施加輸入的位置,基于運(yùn)算放大器的電路可以進(jìn)一步分為反相施密特觸發(fā)器和同相施密特觸發(fā)器。
 
基于運(yùn)算放大器的施密特觸發(fā)器電路及應(yīng)用
 
施密特反相觸發(fā)電路
 
顧名思義,在施密特反相觸發(fā)器中,輸入被施加到運(yùn)算放大器的反相端子。在這種模式下,產(chǎn)生的輸出具有相反的極性。該輸出被施加到同相端子以確保正反饋。
 
基于運(yùn)算放大器的施密特觸發(fā)器電路及應(yīng)用
 
當(dāng)V IN略大于V REF時(shí),輸出變?yōu)?V SAT;如果V IN略小于-V REF(比-V REF更大的負(fù)值),則輸出變?yōu)閂 SAT。因此,輸出電壓V O為V SAT或-V SAT,可以使用R1和R2控制發(fā)生這些狀態(tài)變化的輸入電壓。
 
V REF和-V REF的值可以表示如下:
 
V REF =(V O x R2)/(R1 + R2),V O = V SAT。因此, V REF =(V SAT x R2)/(R1 + R2)
 
-V REF =(V O x R2)/(R1 + R2),V O = -V SAT。因此, -V REF =(-V SAT x R2)/(R1 + R2)
 
參考電壓V REF和-V REF稱為上閾值電壓V UT和下閾值電壓V LT。下圖顯示了輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系圖,也稱為施密特觸發(fā)器的傳輸特性。
 
基于運(yùn)算放大器的施密特觸發(fā)器電路及應(yīng)用
 
對于純正弦輸入信號,下圖顯示了反相施密特觸發(fā)器電路的輸出。
 
基于運(yùn)算放大器的施密特觸發(fā)器電路及應(yīng)用
 
同相施密特觸發(fā)器電路
 
對于同相施密特觸發(fā)器,在這種情況下,輸入被施加到運(yùn)算放大器的同相端子。輸出電壓通過電阻R1反饋到同相端。
 
基于運(yùn)算放大器的施密特觸發(fā)器電路及應(yīng)用
 
讓我們假設(shè),最初,輸出電壓為V SAT。直到V IN變少大于V LT,將輸出保持在這個(gè)飽和水平。輸入電壓超過下閾值電壓電平后,輸出將狀態(tài)更改為-V SAT。
 
輸出保持在此狀態(tài),直到輸入上升到高于上限閾值電壓為止。
 
下圖顯示了同相施密特觸發(fā)器電路的傳輸特性。
 
基于運(yùn)算放大器的施密特觸發(fā)器電路及應(yīng)用
 
如果將純正弦信號用作輸入,則輸出信號看起來像這樣。
 
基于運(yùn)算放大器的施密特觸發(fā)器電路及應(yīng)用
 
應(yīng)用領(lǐng)域
 
施密特觸發(fā)器的一項(xiàng)重要應(yīng)用是將正弦波轉(zhuǎn)換為方波。
 
它們可用于消除比較器中的顫動(dòng)(由于輸入信號通過閾值區(qū)域的擺動(dòng)而產(chǎn)生多個(gè)輸出轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象)。
 
它們還可以充當(dāng)簡單的ON / OFF控制器(例如,基于溫度的開關(guān))。
 
 
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