一種反相施密特觸發(fā)器電路的設(shè)計(jì)

問題

下面是一個(gè)輸入信號接在反相輸入引腳，參考電壓為 1 伏的運(yùn)放比較器電路：

下面是上面電路的波形圖：

可以看到，當(dāng)輸入信號大于 1 伏時(shí)，輸出為低電平；當(dāng)輸入信號小于 1 伏時(shí)，輸出為高電平。

我們給信號加點(diǎn)干擾，看看會(huì)怎么樣：

可以看到，隨著輸入信號噪音的逐漸增加，輸出信號最終出現(xiàn)了雜波：

我們?nèi)绾谓鉀Q上面的問題，以實(shí)現(xiàn)即使輸入信號有一定的干擾，也不會(huì)導(dǎo)致輸出出現(xiàn)跳變？

施密特觸發(fā)器電路

我們可以使用一種叫做施密特觸發(fā)器（Schmitt Trigger）的運(yùn)放電路來解決上面的問題:

下面是輸入與輸出的關(guān)系動(dòng)畫：

上圖中，移動(dòng)的黑點(diǎn)表示輸入信號，移動(dòng)的綠點(diǎn)表示輸出信號，紅點(diǎn)表示 LTP, 藍(lán)點(diǎn)表示 UTP, 注意觸發(fā)點(diǎn)在 Vin 超過了 UTP 后發(fā)生了跳變。

施密特觸發(fā)器電路中用電阻 R2 將輸出和運(yùn)放同相輸入引腳連接了起來，這會(huì)將輸出信號反饋到運(yùn)放的輸入引腳。在這里輸出被反饋到同相引腳，屬于正反饋，如果將輸出反饋到反相引腳，則是負(fù)反饋。運(yùn)放施密特觸發(fā)器電路屬于一種正反饋電路。

由于輸出電壓 Vout 將會(huì)在正飽和電壓 +Sat（接近正電源電壓Vcc）和 負(fù)飽和電壓(接近負(fù)電源點(diǎn)Vee)之間來回切換，并且 Vout 通過由 R1 和 R2 構(gòu)成的電阻分壓器反饋到參考電壓。 所以參考電壓將會(huì)在兩個(gè)不同的值之間來回切換，所以最終會(huì)有兩個(gè)觸發(fā)點(diǎn)，而不是只有一個(gè)觸發(fā)點(diǎn)。當(dāng)只有一個(gè)觸發(fā)點(diǎn)時(shí)，如果輸入信號上有噪音，會(huì)導(dǎo)致輸入信號在觸發(fā)點(diǎn)附近來回跳變，這會(huì)引起輸出信號來回跳變。

假設(shè)開始時(shí) Vin 為零伏，然后它逐漸增加接近上觸發(fā)點(diǎn)。一旦 Vin 超過這個(gè)上觸發(fā)點(diǎn)，Vout 將會(huì)立即從高電平變?yōu)榈碗娖?，這也同時(shí)改變了參考電壓，使參考電壓變?yōu)樨?fù)值，即下觸發(fā)點(diǎn)（LTP）。此時(shí)如果輸入信號在上限觸發(fā)電壓（UTP）附近來回跳變，只要這個(gè)跳變不超過下觸發(fā)點(diǎn)（LTP）, 那么輸出信號 Vout 不會(huì)改變，一直是低電平：

參考電壓變?yōu)橄孪抻|發(fā)電壓（LTP）后，要想讓輸出電壓 Vout 重新變?yōu)楦唠娖?，輸入信?Vin 得一路下降到低于 LTP 才行：

上圖中，移動(dòng)的黑點(diǎn)表示輸入信號，移動(dòng)的紅點(diǎn)或藍(lán)點(diǎn)表示輸出信號。

一旦 Vin 下降到 LTP 以下，那么輸出電壓會(huì)變成高電平，同時(shí)，參考電壓也會(huì)變成上限觸發(fā)電壓 UTP。

總結(jié)：

當(dāng)觸發(fā)電壓為 UTP 時(shí)，在輸入信號逐漸變大的過程中，一旦其值超過 UTP, 則觸發(fā)電壓會(huì)變?yōu)?LTP，此時(shí)輸入信號如果在 UTP 附近跳動(dòng)，只要不低于 LTP, 不會(huì)引起輸出變動(dòng)；

當(dāng)觸發(fā)電壓為 LTP 時(shí)，在輸入信號逐漸變小的過程中，一旦其值低于 LTP, 則觸發(fā)電壓會(huì)變?yōu)?UTP， 此時(shí)輸入信號如果在 LTP 附近跳動(dòng)，只要不超過 UTP, 不會(huì)引起輸出變動(dòng)。

舉個(gè)例子

上圖電路中，運(yùn)放電源為正負(fù) 12 伏。由一個(gè) 1kΩ 電阻和 11kΩ 電阻組成分壓電路。上限觸發(fā)電壓為 1 伏，下限觸發(fā)電壓為 -1 伏。

坐標(biāo)系中藍(lán)線表示輸入信號。其值從低于 -1 伏開始逐漸增加，此時(shí)輸出為高電平，觸發(fā)電平為 UTP(1伏)。當(dāng)輸入信號逐漸增加并且超過 LTP 時(shí)，輸出無變化。再增加，一旦其值超過 UTP 時(shí)，輸出電平會(huì)迅速從高電平變?yōu)榈碗娖剑瑫r(shí)，參考電壓由較大的 UTP 變?yōu)檩^小的 LTP, 此后，即使輸入信號有很強(qiáng)的噪音，導(dǎo)致其值在 UTP 附近上下抖動(dòng)，但由于此時(shí)參考電壓已經(jīng)變?yōu)榱溯^小的 LTP, 輸出電平不會(huì)變動(dòng)。

非對稱閾值

上面的電路中，兩個(gè)觸發(fā)電平是在 0 伏附近的。如果想讓兩個(gè)觸發(fā)電平不在零伏附近，需要用3個(gè)電阻, 電路圖如下：

當(dāng)輸出為高電平時(shí)，R1和R3并聯(lián)，其等效電路圖如下：

當(dāng)輸出為低電平時(shí)，R2和R3并聯(lián)，其等效電路圖如下：

觸發(fā)電平計(jì)算公式如下：

網(wǎng)上有一個(gè)****反相施密特觸發(fā)器計(jì)算器 ，可以根據(jù)輸入的上下限觸發(fā)電壓計(jì)算電路中需要的電阻值

這里，假設(shè)我們想讓上限電壓為 1.1 伏，下限觸發(fā)電壓為 0.9 伏，參考電壓就用正電源電壓 9 伏，輸入后計(jì)算結(jié)果如下：

它計(jì)算出的電阻為：

R1 = 16kΩ

R2 = 2kΩ

R3 = 160kΩ

調(diào)試后，我使用下面的參數(shù)：

R1=20k

R2=2.7k

R3=180k

在電路板上組裝后，測得波形如下：

可以看到 UTP = 1.07伏，LTP = 0.69 V。帶有如此大噪音的輸入信號并沒有引起輸出意外跳變，問題得到解決。

總結(jié)

今天我們一起了學(xué)習(xí)了****正反饋運(yùn)放電路，即 反相施密特觸發(fā)器電路。知道了該電路可以產(chǎn)生兩個(gè)觸發(fā)電壓，進(jìn)而解決輸入信號的噪音引起的輸出意外跳變的問題。