施密特触发器的设计

2020-08-05

施密特触发器是IC和更简单的PCB中的基本電(diàn)路，它们在清理(lǐ)信号以供其他(tā)数字電(diàn)路中发挥重要作用(yòng)。施密特触发器元件和IC有(yǒu)很(hěn)多(duō)不同，但它们都依赖于两个重要属性来对噪声输入信号进行整流和稳定：饱和和磁滞。尽管这些電(diàn)路与放大器電(diàn)路相似，甚至在原理(lǐ)图中使用(yòng)相同的符号，但它们的工作方式却大不相同。

如果您正在设计用(yòng)于清除噪声信号并产生数字脉冲的施密特触发器電(diàn)路，则可(kě)能(néng)会发现，施密特触发器的经典電(diàn)路图具有(yǒu)惊人的弹性，直到达到很(hěn)高的频率為(wèi)止。

施密特触发器是简单的電(diàn)路，可(kě)以接收振荡信号（例如锯齿波或三角波）并输出方波。施密特触发器電(diàn)路具有(yǒu)一定的滞后性，允许设计人员通过设置滞后窗口的大小(xiǎo)来调整占空比。可(kě)以将一个有(yǒu)噪声的信号输入到施密特触发器中，并且输出将是干净的数字信号。这样，施密特触发器的运行就像始终在饱和状态下运行的高增益放大器一样。实际上，您可(kě)以通过使差分(fēn)输入饱和来使用(yòng)运算放大器来构建施密特触发器電(diàn)路，尽管这在高速電(diàn)路中是不希望的。

施密特触发器与另一重要类型的二态数字電(diàn)路有(yǒu)关：比较器。比较器和施密特触发器相似，但電(diàn)路不同。

施密特触发器与比较器電(diàn)路

施密特触发器经常与比较器電(diàn)路进行比较，因為(wèi)它们的行為(wèi)非常相似。所有(yǒu)施密特触发器均為(wèi)比较器，但并非所有(yǒu)比较器均為(wèi)施密特触发器。两种类型的電(diàn)路都使用(yòng)磁滞来设置在两个饱和状态之间切换的阈值。对于比较器，输出在電(diàn)源轨電(diàn)压下达到饱和，并且输出将在正和负饱和電(diàn)压之间循环（例如，轨到轨）。可(kě)以通过在反相输入（或反相比较器的非反相输入）周围放置上拉和下拉電(diàn)阻来设置引起开关的参考電(diàn)压。比较器電(diàn)路中总是有(yǒu)一个小(xiǎo)的磁滞窗口，因此它们可(kě)以承受输入中约10 mV的波动。

由运算放大器构建的比较器電(diàn)路。具有(yǒu)高增益的正反馈环路可(kě)确保一旦输入電(diàn)压高于或低于0 V，输出就会在電(diàn)源轨上饱和

对于施密特触发器，有(yǒu)意添加磁滞以将开关阈值设置為(wèi)某个所需值。对于基于晶體(tǐ)管的比较器，可(kě)以使用(yòng)分(fēn)压器通过另一个正反馈环路将滞后作用(yòng)于输出電(diàn)压。分(fēn)压器中的電(diàn)阻值决定了磁滞窗口的大小(xiǎo)和输出波形的占空比。反向施密特触发器的通用(yòng)電(diàn)路如下所示，该電(diàn)路包括输出信号上的磁滞窗口。

由运算放大器构建的比较器電(diàn)路,具有(yǒu)高增益的正反馈环路可(kě)确保一旦输入電(diàn)压高于或低于0 V，输出就会在電(diàn)源轨上饱和

请注意，您可(kě)以使用(yòng)相同的技术来创建运算放大器的施密特触发器，尽管运算放大器制造商(shāng)建议不要这样做。提出此建议的原因是，通常不将运算放大器设计為(wèi)以高增益运行至饱和。取而代之的是，这些组件被设计為(wèi)在線(xiàn)性范围内运行，并且它们无法承受長(cháng)时间在饱和状态之间切换的热需求。

输入纹波和噪声抑制

由于输入是差分(fēn)输入，因此施密特触发器具有(yǒu)较高的共模抑制比（CMRR）。尽管差分(fēn)输入提供了较高的CMRR，但输入信号的自然变化仍可(kě)能(néng)导致两个输出状态之间的意外切换。这应该说明可(kě)以将迟滞添加到比较器的原因。通过加宽磁滞窗口，上升沿和下降沿跃迁变得更加不同，并且電(diàn)路可(kě)以承受更大的電(diàn)压波动，而无需意外切换。

比较器输出无迟滞（左）和有(yǒu)迟滞（右）

可(kě)以使用(yòng)瞬态分(fēn)析和所涉及晶體(tǐ)管级的直流分(fēn)析来模拟施密特触发器電(diàn)路。当使用(yòng)晶體(tǐ)管构建时，这些電(diàn)路需要在饱和状态下工作，因此需要使用(yòng)直流扫描来模拟负载線(xiàn)。瞬态分(fēn)析使您可(kě)以测量输出方波的占空比，然后可(kě)以将其与反馈环路中的先前分(fēn)析进行比较。

如果要设计高频施密特触发器，例如将在高GHz频率下运行的電(diàn)路。这些高频模拟電(diàn)路通常使用(yòng)GaAs或GaN-SiC材料模型。这些类型的電(diàn)路仍然是研究的活跃领域，但是这些電(diàn)路可(kě)以在不使用(yòng)PLL的情况下提供高GHz时钟或PWM信号。