Schmittin liipaisin - yleiskuva

Pulssipiirin suunnittelun aikana kehittäjä voi tarvita kynnyslaitetta, joka voisi muodostaa puhtaan suorakulmaisen signaalin tietyillä korkean ja matalan jännitteen arvoilla ei-suorakulmaisen muodon tulosignaalista (esimerkiksi sahahammas tai sinimuotoinen).

Schmittin liipaisin, piiri, jolla on pari vakaata lähtötilaa, joka sisääntulosignaalin vaikutuksesta korvaa toisensa hyppyssä, sopii hyvin, eli lähtö on suorakulmainen signaali.

Eräs Schmitt-liipaisimen ominaispiirre on tietyn alueen esiintyminen tulosignaalin jännitetasojen välillä, kun tulosignaalin lähtöjännite kytketään tämän liipaisimen lähdössä matalalta korkealta ja päinvastoin.

Tätä Schmitt-liipaisimen ominaisuutta kutsutaan hysterereesiksi, ja ominaisuuden osaa kynnysarvojen syöttöarvojen välillä kutsutaan hystereesi-alueeksi. Schmitt-liipaisutulon ylemmän ja alemman kynnysarvon välinen ero määrää sen hysterereesialueen leveyden, joka toimii liipaisimen herkkyyden mittana. Mitä leveämpi hystereesialue - mitä vähemmän herkkä Schmittin liipaisin, sitä kapeampi hystereesialue - sitä korkeampi on sen herkkyys.

Schmittin liipaisimet ovat saatavana erikoistuneina mikropiireinä, joissa useita erillisiä liipaisimia voi sijaita yhden kotelon sisällä kerralla. Tällaisilla mikropiireillä on tietty normalisoitu kytkentäkynnys ja ne antavat jyrkän rintaman lähdössä huolimatta tulosignaalista, joka on kaukana suorakaiteen muodosta. Lisäksi Schmittin liipaisin voidaan rakentaa myös loogisten elementtien perusteella, jolloin kehittäjällä on mahdollisuus erittäin tarkasti asettaa ja säätää kynnyslaitteensa hystereesialueen leveyttä.

Kiinnitä huomiota kuvaan ja pohdi tarkemmin Schmittin liipaisimen periaatetta.

Tässä on kaaviokuva liipaisimesta, samoin kuin sen siirto- ja aikaominaisuuksista. Kuten voidaan nähdä, kun tulosignaalin taso Uin on alempi kuin alaraja Ufor.n, Schmittin laukaisulähdöllä on vastaavasti myös matala jännitetaso U0 lähellä nollaa.

Tulosignaalin Uin jännitettä kasvatettaessa sen arvo saavuttaa ensin hystereesialueen Uпор.н alarajan, alarajan, kun taas lähtö, kuten aiemmin, ei muuta mitään. Ja jopa silloin, kun tulojännite Uin menee hystereesialueelle ja on jonkin aikaa sen sisällä, ulostuloa ei silti tapahdu - lähtö on silti matalajännite U0.

Mutta heti kun tulojännitteen Uin tasoa verrataan hystereesialueen Ufor.in ylempään kynnysarvoon (vastealue) - laukaisimen lähtö hyppää korkeajännitetason U1 tilaan. Jos tulojännite Uin kasvaa edelleen (mikropiirille sallituissa rajoissa), lähtöjännite Uout ei muutu enää, koska saavutetaan toinen kahdesta vakaasta tilasta - korkea U1-taso.

Oletetaan nyt, että tulojännite Uin alkoi laskea. Kun palaat hystereesi alueelle, ulostulossa ei ole muutoksia, taso on edelleen korkea U1. Mutta heti kun tulosignaalin Uin jännite on yhtä suuri kuin hystereesialueen alaraja Uпн.н - Schmittin liipaisulähtö hyppää tilaan matalalla jännitetasolla U0. Tähän perustuu Schmittin liipaisimen toiminta.

Joskus Schmittin liipaisimet osoittautuvat hyödyllisiksi, kun looginen elementti “I” toteutetaan mikrosirun sisällä ja invertteri “EI” asennetaan ulostuloon (Schmittin käänteinen liipaisin).Tällöin siirto-ominaisuus näyttää päinvastaiselta: kun jännite ylittää hystereesialueen ylärajan, alhainen taso ilmestyy Schmitt-liipaisimen ulostuloon ja kun se palaa hystereesi-alueen alapuolelle, lähdössä näkyy korkea taso. Tämä on käytännössä JA-EI-elementti, jolla on hystereesi.

Schmittin liipaisin voidaan koota ja operaatiovahvistimessa (op vahvistin). Tarkastellaan yhtä sen toteuttamisen vaihtoehdoista yleisesti. Op-amp: n käänteinen sisääntulo on maadoitettu, ja tulosignaali syötetään vastuksen R1 kautta op-amp: n ei-invertoivaan tuloon. Op-amp-vahvistimen lähtö takaisinkytkentäketjun läpi vastuksen R2 kautta on kytketty op-amp: n ei-invertoivaan tuloon. Suorakulmainen jännite poistetaan op-vahvistimen ulostulosta.

Jännite operaatiovahvistimen ulostulossa määritetään perinteisesti kaavalla Uout = K * Ua. Yleensä Uout.max on yhtä suuri kuin op-amp syöttöjännite (merkitään sitä pyökillä E) ja K on opamp-vahvistus, se on luokkaa 1 000 000. Lähtöjännite voi vaihdella + E: stä -E: iin. Täällä emme syventy tiettyihin yksityiskohtiin ja ymmärryksen yksinkertaistamiseksi tarkastelemme elävää esimerkkiä, jossa tulovaste ja takaisinkytkentäpiirin vastus ovat keskenään yhtäkkiä: R1 = R2.

Joten aivan alussa, kun Uin = 0, ja siksi Ua = 0, niin Uout = 0, koska op-vahvistimen ei-invertoivassa tulossa oleva jännite ei ylitä jännitettä invertoivassa tulossaan.

Jos nyt Uvh kasvaa hieman, niin myös Ua kasvaa hieman. Tällöin Uout kasvaa merkittävästi (K-arvon mukaisesti), koska op-vahvistimen ei-kääntävän tulon jännite ylittää käänteisen tulon jännitteen, joka, kuten päätimme, on maadoitettu. Sitten johtuen siitä tosiasiasta, että piste Ua on yllä olevan kaavion mukaisesti kytkettyjen vastusten välillä, pisteessä Ua jännite kasvaa merkittävästi, siitä tulee noin Uout / 2, ja positiivisen palautteen lumivyöryn vuoksi vakaa jännite Uout (yhtä suuri kuin syöttöjännite) OS = E). Siten op-vahvistin meni vakaaseen tilaan, jolla oli korkea lähtöjännitetaso. Lisäksi Ua = (E + Uin) / 2.

Jos tässä tilassa alamme pienentää Uin-arvoa, silloinkin, kun siitä tulee yhtä suuri kuin nolla, silloin pisteessä Ua se on edelleen E / 2, ja op-amp: n ulostulossa on edelleen korkea jännite Uout = E.

Vasta kun Uin tulee yhtä suureksi kuin -E, vasta sitten Ua tulee nollaksi ja op-amp-lähtö siirtyy tilaan, jolla on matala jännitetaso (-E). Tässä tapauksessa taas syntyy palautteen lumivyöry - nyt Uout = -E, Ua = (Uin-E) / 2, ja tämä on paljon alhaisempi kuin op-amp: n ei-kääntävä sisääntulo. Liipaisin on siirtynyt tasaiseen tilaan alhaisella lähtötasolla. Jotta op-vahvistimen lähtö palaa nyt korkeaan tilaan, on välttämätöntä, että Uin tulee jälleen yhtä suureksi kuin E, mikä aiheuttaa uuden palautteen lumivyöryn. Palaamista nollapisteeseen ei enää tapahdu.