使用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)施密特觸發(fā)器

施密特觸發(fā)器的主要應(yīng)用之一是模擬電子和數(shù)字電子之間的接口信號(hào)，并在不同的邏輯家族內(nèi)轉(zhuǎn)換電平。

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)天生就快，因?yàn)樗鼈兲幚砀哳l率和快速上升和下降沿。然而，另一方面(模擬)處理的信號(hào)在上升和下降時(shí)間方面的變化速度要慢得多。

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，我們將討論在何處使用施密特觸發(fā)器，它們是如何工作的，以及如何使用運(yùn)放構(gòu)建施密特觸發(fā)器。

為什么是施密特觸發(fā)器而不是運(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，由于上升和下降時(shí)間緩慢，可能會(huì)通過(guò)閾值電壓發(fā)生多次轉(zhuǎn)換，從而在輸出上產(chǎn)生多個(gè)脈沖，這是不希望看到的。這種行為類似于開關(guān)反彈，如下圖所示。

施密特觸發(fā)器是如何工作的?

施密特觸發(fā)器是一種作為比較器的裝置。名稱中的術(shù)語(yǔ)觸發(fā)器來(lái)自這樣一個(gè)事實(shí)，即它的作用就像一個(gè)鎖存器，當(dāng)達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)觸發(fā)。

在這種情況下，它是一種一旦輸入穿過(guò)一定電壓就改變高低閾值的器件。

這樣，由于閾值電壓在第一次轉(zhuǎn)換之后發(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端拾取的噪聲而在輸出端產(chǎn)生不需要的脈沖。

為了理解這一點(diǎn)，我們可以看一下滯后圖，如下圖所示。

它顯示了輸入和閾值如何根據(jù)輸入變化之間的關(guān)系。

跟隨箭頭，輸入從地面開始并不斷增加，直到穿過(guò)VTR2。在這一點(diǎn)上，輸出改變狀態(tài)并變高。

但是即使輸入再次穿過(guò)VTR2，輸出也不會(huì)改變狀態(tài)，因?yàn)殚撝惮F(xiàn)在已經(jīng)改變了。輸入現(xiàn)在必須低于VTR1才能使輸出變低。

通過(guò)以這種方式改變閾值電壓，在對(duì)緩慢和噪聲信號(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)放作為施密特觸發(fā)器

運(yùn)算放大器可以用作比較器，但如果沒(méi)有變化的閾值，它就會(huì)受到噪聲和不需要的輸出轉(zhuǎn)換的影響。

在運(yùn)算放大器中使用幾個(gè)可以改變閾值水平的離散部件來(lái)實(shí)現(xiàn)遲滯是很容易的。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是為了進(jìn)行演示。運(yùn)放采用12V導(dǎo)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)圍繞非反相輸入和輸出構(gòu)建。我在面包板上構(gòu)建了電路，我的施密特觸發(fā)器使用運(yùn)放實(shí)驗(yàn)如下所示?，F(xiàn)在，不要與電路板上的所有額外組件混淆。741運(yùn)算放大器及其連接顯示在左側(cè)。在右邊，我們有鋸齒發(fā)生器電路，我們用來(lái)測(cè)試我們的設(shè)置。如果你有一個(gè)波形發(fā)生器，你可以跳過(guò)這一步。

閾值電壓由連接在電源和地之間的兩個(gè)電阻設(shè)定。因?yàn)檫@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，這是用來(lái)改變閾值電壓。

中心閾值電壓由分壓器上電阻的值設(shè)定，由公式給出：

式中VCTH為中心閾值電壓，VIN為輸入電壓，RB為下電阻，RT為上電阻。

讓我們假設(shè)運(yùn)算放大器的輸出為一低電平。這意味著連接在非反相輸入和輸出之間的電阻并聯(lián)連接到分壓器上的底部電阻。因此，下閾值電壓由公式給出：

其中VBTH為底電壓閾值，VIN為輸入電壓，RB為底電阻，RT為頂電阻，RH為滯回電阻。

當(dāng)運(yùn)放的輸出變高時(shí)，反饋電阻與分壓器的頂電阻并聯(lián)，閾值電壓為：

其中VTTH為頂電壓閾值，RB為底電阻，RH為滯回電阻。應(yīng)用遲滯的結(jié)果是相當(dāng)顯著的。

上圖顯示了沒(méi)有遲滯的波形-黃色波形是輸入-鋸齒波形與疊加的方波來(lái)模擬噪聲，粉紅色波形是閾值電壓，藍(lán)色波形是輸出波形。輸出波形在下降沿上有不必要的尖峰，這是由輸入通過(guò)閾值電壓的多次轉(zhuǎn)換引起的。

有幾點(diǎn)需要注意：

1. 為了保證穩(wěn)定性和快速響應(yīng)，必須在滯后電阻上并聯(lián)一個(gè)小電容。

2. 輸出擺幅的限制可以顯示為遲滯閾值的誤差，因?yàn)檫t滯電阻沒(méi)有直接連接到電源或地，而是連接到幾個(gè)二極管的上下，因?yàn)檫\(yùn)算放大器的輸出級(jí)。

上圖顯示了如何將運(yùn)算放大器配置為施密特觸發(fā)器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。輸出波形現(xiàn)在是干凈的，沒(méi)有噪音或不必要的過(guò)渡。還可以清楚地看到閾值電壓在每個(gè)高、低躍遷之間的變化。你也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，因此其輸出級(jí)不適合快速振蕩。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)，這將導(dǎo)致速度損失。

2. 運(yùn)算放大器輸出速率有限，這可能會(huì)違反某些數(shù)字系統(tǒng)的邊緣定時(shí)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)這個(gè)限制，可能會(huì)導(dǎo)致輸出相位反轉(zhuǎn)等問(wèn)題。

本文編譯自circuitdigest