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技術(shù)專題
施密特觸發(fā)器的設(shè)計(jì)
施密特觸發(fā)器是IC和更簡(jiǎn)單的PCB中的基本電路，它們?cè)谇謇硇盘?hào)以供其他數(shù)字電路中發(fā)揮重要作用。施密特觸發(fā)器元件和IC有很多不同，但它們都依賴于兩個(gè)重要屬性來(lái)對(duì)噪聲輸入信號(hào)進(jìn)行整流和穩(wěn)定：飽和和磁滯。盡管這些電路與放大器電路相似，甚至在原理圖中使用相同的符號(hào)，但它們的工作方式卻大不相同。
如果您正在設(shè)計(jì)用于清除噪聲信號(hào)并產(chǎn)生數(shù)字脈沖的施密特觸發(fā)器電路，則可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，施密特觸發(fā)器的經(jīng)典電路圖具有驚人的彈性，直到達(dá)到很高的頻率為止。
施密特觸發(fā)器是簡(jiǎn)單的電路，可以接收振蕩信號(hào)（例如鋸齒波或三角波）并輸出方波。施密特觸發(fā)器電路具有一定的滯后性，允許設(shè)計(jì)人員通過(guò)設(shè)置滯后窗口的大小來(lái)調(diào)整占空比。可以將一個(gè)有噪聲的信號(hào)輸入到施密特觸發(fā)器中，并且輸出將是干凈的數(shù)字信號(hào)。這樣，施密特觸發(fā)器的運(yùn)行就像始終在飽和狀態(tài)下運(yùn)行的高增益放大器一樣。實(shí)際上，您可以通過(guò)使差分輸入飽和來(lái)使用運(yùn)算放大器來(lái)構(gòu)建施密特觸發(fā)器電路，盡管這在高速電路中是不希望的。
施密特觸發(fā)器與另一重要類型的二態(tài)數(shù)字電路有關(guān)：比較器。比較器和施密特觸發(fā)器相似，但電路不同。
施密特觸發(fā)器與比較器電路
施密特觸發(fā)器經(jīng)常與比較器電路進(jìn)行比較，因?yàn)樗鼈兊男袨榉浅Ｏ嗨啤Ｋ惺┟芴赜|發(fā)器均為比較器，但并非所有比較器均為施密特觸發(fā)器。兩種類型的電路都使用磁滯來(lái)設(shè)置在兩個(gè)飽和狀態(tài)之間切換的閾值。對(duì)于比較器，輸出在電源軌電壓下達(dá)到飽和，并且輸出將在正和負(fù)飽和電壓之間循環(huán)（例如，軌到軌）。可以通過(guò)在反相輸入（或反相比較器的非反相輸入）周圍放置上拉和下拉電阻來(lái)設(shè)置引起開(kāi)關(guān)的參考電壓。比較器電路中總是有一個(gè)小的磁滯窗口，因此它們可以承受輸入中約10 mV的波動(dòng)。
由運(yùn)算放大器構(gòu)建的比較器電路。具有高增益的正反饋環(huán)路可確保一旦輸入電壓高于或低于0 V，輸出就會(huì)在電源軌上飽和
對(duì)于施密特觸發(fā)器，有意添加磁滯以將開(kāi)關(guān)閾值設(shè)置為某個(gè)所需值。對(duì)于基于晶體管的比較器，可以使用分壓器通過(guò)另一個(gè)正反饋環(huán)路將滯后作用于輸出電壓。分壓器中的電阻值決定了磁滯窗口的大小和輸出波形的占空比。反向施密特觸發(fā)器的通用電路如下所示，該電路包括輸出信號(hào)上的磁滯窗口。
由運(yùn)算放大器構(gòu)建的比較器電路,具有高增益的正反饋環(huán)路可確保一旦輸入電壓高于或低于0 V，輸出就會(huì)在電源軌上飽和
請(qǐng)注意，您可以使用相同的技術(shù)來(lái)創(chuàng)建運(yùn)算放大器的施密特觸發(fā)器，盡管運(yùn)算放大器制造商建議不要這樣做。提出此建議的原因是，通常不將運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)為以高增益運(yùn)行至飽和。取而代之的是，這些組件被設(shè)計(jì)為在線性范圍內(nèi)運(yùn)行，并且它們無(wú)法承受長(zhǎng)時(shí)間在飽和狀態(tài)之間切換的熱需求。
輸入紋波和噪聲抑制
由于輸入是差分輸入，因此施密特觸發(fā)器具有較高的共模抑制比（CMRR）。盡管差分輸入提供了較高的CMRR，但輸入信號(hào)的自然變化仍可能導(dǎo)致兩個(gè)輸出狀態(tài)之間的意外切換。這應(yīng)該說(shuō)明可以將遲滯添加到比較器的原因。通過(guò)加寬磁滯窗口，上升沿和下降沿躍遷變得更加不同，并且電路可以承受更大的電壓波動(dòng)，而無(wú)需意外切換。
比較器輸出無(wú)遲滯（左）和有遲滯（右）
可以使用瞬態(tài)分析和所涉及晶體管級(jí)的直流分析來(lái)模擬施密特觸發(fā)器電路。當(dāng)使用晶體管構(gòu)建時(shí)，這些電路需要在飽和狀態(tài)下工作，因此需要使用直流掃描來(lái)模擬負(fù)載線。瞬態(tài)分析使您可以測(cè)量輸出方波的占空比，然后可以將其與反饋環(huán)路中的先前分析進(jìn)行比較。
如果要設(shè)計(jì)高頻施密特觸發(fā)器，例如將在高GHz頻率下運(yùn)行的電路。這些高頻模擬電路通常使用GaAs或GaN-SiC材料模型。這些類型的電路仍然是研究的活躍領(lǐng)域，但是這些電路可以在不使用PLL的情況下提供高GHz時(shí)鐘或PWM信號(hào)。