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技術(shù)專題
施密特觸發(fā)器的設(shè)計
施密特觸發(fā)器是IC和更簡單的PCB中的基本電路，它們在清理信號以供其他數(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重要屬性來對噪聲輸入信號進行整流和穩(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，但它們的工作方式卻大不相同。
如果您正在設(shè)計用于清除噪聲信號并產(chǎn)生數(shù)字脈沖的施密特觸發(fā)器電路，則可能會發(fā)現(xiàn)，施密特觸發(fā)器的經(jīng)典電路圖具有驚人的彈性，直到達到很高的頻率為止。
施密特觸發(fā)器是簡單的電路，可以接收振蕩信號（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)計人員通過設(shè)置滯后窗口的大小來調(diào)整占空比?？梢詫⒁粋€有噪聲的信號輸入到施密特觸發(fā)器中，并且輸出將是干凈的數(shù)字信號。這樣，施密特觸發(fā)器的運行就像始終在飽和狀態(tài)下運行的高增益放大器一樣。實際上，您可以通過使差分輸入飽和來使用運算放大器來構(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)常與比較器電路進行比較，因為它們的行為非常相似。所有施密特觸發(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設(shè)置在兩個飽和狀態(tài)之間切換的閾值。對于比較器，輸出在電源軌電壓下達到飽和，并且輸出將在正和負飽和電壓之間循環(huán)（例如，軌到軌）?？梢酝ㄟ^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設(shè)置引起開關(guān)的參考電壓。比較器電路中總是有一個小的磁滯窗口，因此它們可以承受輸入中約10 mV的波動。
由運算放大器構(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，輸出就會在電源軌上飽和
對于施密特觸發(fā)器，有意添加磁滯以將開關(guān)閾值設(shè)置為某個所需值。對于基于晶體管的比較器，可以使用分壓器通過另一個正反饋環(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上的磁滯窗口。
由運算放大器構(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，輸出就會在電源軌上飽和
請注意，您可以使用相同的技術(shù)來創(chuàng)建運算放大器的施密特觸發(fā)器，盡管運算放大器制造商建議不要這樣做。提出此建議的原因是，通常不將運算放大器設(shè)計為以高增益運行至飽和。取而代之的是，這些組件被設(shè)計為在線性范圍內(nèi)運行，并且它們無法承受長時間在飽和狀態(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，但輸入信號的自然變化仍可能導(dǎo)致兩個輸出狀態(tài)之間的意外切換。這應(yīng)該說明可以將遲滯添加到比較器的原因。通過加寬磁滯窗口，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，而無需意外切換。
比較器輸出無遲滯（左）和有遲滯（右）
可以使用瞬態(tài)分析和所涉及晶體管級的直流分析來模擬施密特觸發(fā)器電路。當(dāng)使用晶體管構(gòu)建時，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模擬負載線。瞬態(tài)分析使您可以測量輸出方波的占空比，然后可以將其與反饋環(huán)路中的先前分析進行比較。
如果要設(shè)計高頻施密特觸發(fā)器，例如將在高GHz頻率下運行的電路。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時鐘或PWM信號。