施密特触发器讲解，工作原理+电路案例

大家好，我是李工。创建并不容易，但我们感谢您的支持。今天我要跟大家分享的是施密特触发器。

主要是：施密特触发器工作原理、电路图、主要用途、符号。

1. 什么是施密特触发器？ 施密特触发器是一种通过在比较器或差分放大器的同相输入端施加正反馈而实现迟滞的比较器电路。施密特触发器使用具有不同阈值电压电平的两个输入，以避免输入信号中出现噪声。这种双阈值效应称为滞后。

施密特触发器

施密特触发器有多少个稳态？

施密特触发器是一种双稳态电路，当输入达到某个设计的阈值电压电平时，其输出在两个稳态电压电平（高和低）之间摆动。

典型的比较器仅包含阈值信号并将阈值信号与输入信号进行比较。然而，如果输入信号有噪声，就会影响输出信号。

噪声对输出的影响

在上图中，位置A 和B 处的噪声导致输入信号(V1) 与参考信号(V2) 的电平交叉。在此期间，V1小于V2，输出为低电平。因此，比较器的输出会受到输入信号中噪声的影响。此外，比较器不受噪声保护。

“施密特触发器”中的“触发器”这个名称来源于这样一个事实：输出保持其值，直到输入变化足以“触发”变化。

施密特触发器是一种逻辑输入，提供迟滞或两个阈值电平：高电平和低电平。这有助于减少噪声信号产生的误差并产生方波。此外，它还可用于将其他类型的信号（例如三角波和正弦波）转换为方波。

下面是施密特触发器的符号。

施密特触发器符号

2.什么是施密特触发器的UTP和LTP? 使用运算放大器741的施密特触发器中的UTP和LTP简单地说就是代表上触发点的UTP和代表下触发点的LTP。

迟滞可以定义为当输入超过选定阈值(UTP) 时输出变低。如果输入低于阈值(LTP)，则输出变高；如果输入介于阈值之间，则输出保持其当前值。这种双阈值行为称为迟滞。

下面是施密特触发器的工作原理和上下触点图。

施密特触发器工作原理图

在上面的例子中，Vlag=UTP-LTP

上限（触发）点、下限（触发）点—— 用于比较输入信号的点。上述电路的UTP和LTP值如下。

UTP=+V * R2/(R1 + R2)

LTP=-V* R2 /(R1 + R2)

比较两个水平时，边界可能会振荡（或波动）。有了磁滞，就无法解决这个振荡问题。比较器始终与固定参考电压（单个参考电压）进行比较，而施密特触发器则与称为UTP 和LTP 的两个不同电压进行比较。

上述使用Op-Amp 741 电路的施密特触发器的UTP 和LTP 值可以使用以下公式计算：

UTP=+V * R2/(R1 + R2)

LTP=-V* R2/(R1 + R2)

双绞线=+10V *5/5+10=+ 3.33V

LTP=-10V *5/5+10= 3.33V

3.施密特触发器的工作原理（施密特触发器示意图） 施密特触发器使用正反馈——对输出进行采样并将其反馈到输入，可以说“增强”输出——。这恰恰相反。负反馈试图抵消输出的任何变化。

这个扩展属性非常有用，因为它允许比较器决定它想要的输出状态并维持该状态，即使是通常位于死区的——。

考虑以下简单电路：具有迟滞的反相比较器

带迟滞的反相比较器

假设输出为高电平，因为输入电压小于同相引脚上的参考电压。

V* 是在同相输入上产生固定偏置的参考输入电压。通过上拉电阻的高输出创建了一条通过反馈电阻的电流路径，略微增加了参考电压。

如果输入高于参考电压，输出将为低电平。通常这对参考电压没有影响，但由于反馈电阻的原因，参考电压会略低于其标称值。这是因为反馈电阻器和下参考电阻器与地并联（由于输出效应低）。将电阻器的该端子短接到地）。由于参考电压降低，输入的微小变化不再导致多次转换，从而消除了死区。

输入必须超过新的下限阈值，输出才会变高。一旦超过此值，输出就会变高，电路将“重置”为其初始配置。输入只需跨越阈值一次，即可实现干净的转换。该电路具有两个有效阈值或状态——并且是双稳态的。

这可以用图表的形式来概括。

磁滞曲线

这可以从通常的意义上来理解。 —— x 轴是输入，y 轴是输出。如果我们沿着从x 到y 的线，我们可以看到高于下限阈值时，滞后变得更高，反之亦然。

同相比较器的工作原理与—— 输出类似，通过更改电阻网络的配置来改变阈值并防止不需要的振荡和噪声。

4. 施密特触发器电路图1. 带运算放大器的施密特触发器1) 反相施密特触发器

在反相施密特触发器中，输入被提供给运算放大器的反相端子，并从输出到输入提供正反馈。反相施密特触发器的电路图如下所示。

倒置施密特触发器

反向施密特触发器的工作原理：

A点电压为V，施加电压（输入电压）为Vin。如果施加的电压Vin 大于V，电路的输出将为低电平。如果施加的电压Vin 小于V，电路的输出将为高电平。

现在应用基尔霍夫流动定律(KCL) 来计算V 的方程。

现在假设施密特触发器的输出为高电平。在这种情况下，

所以从上面的等式我们得到：

如果输入信号大于V1，施密特触发器的输出将为低电平。因此，V 1 是上阈值电压(V UT )。

输出保持低电平，直到输入信号小于V。在这种情况下，如果施密特触发器的输出为低电平，

现在，输出保持高电平，直到输入信号小于V 2。因此，V 2 称为下限阈值电压(V LT )。

2.同相施密特触发器

在同相施密特触发器中，输入信号施加到运算放大器的同相端子，并且正反馈从输出施加到输入。运算放大器的反相端接地。同相施密特触发器的原理图如下图所示。

不可逆施密特触发器

在该电路中，当电压V大于零时，施密特触发器的输出为高电平。如果电压V 小于零，则输出为低电平。

现在，我们来求电压V 的公式。为此，请将KCL 应用于该节点。

现在假设运算放大器的输出非常低。因此，施密特触发器的输出电压为V L 。电压V等于V 1 。

在这种情况下：

由上面的公式我们可以得到：

如果电压V1 大于零，则输出为高电平。在这种情况下：

当满足上述条件时，输出变为高电平。因此，该方程给出了上阈值电压（V UT ）的值。

现在假设施密特触发器的输出为高电平。电压V等于V2。

根据电压V的公式：

如果电压V2小于零，施密特触发器的输出将为低电平。在这种情况下，

上式给出了下限阈值电压(V LT ) 的值。

2.基于晶体管的施密特触发器

下图显示了使用晶体管的施密特触发器电路。下面的电路可以用基本的电子元件构建，但两个晶体管是该电路的基本元件。

使用晶体管的施密特触发器

当输入电压(Vin) 为0 V 时，T1 晶体管不导通，但电压1.98 的参考电压(Vref) 会导致T2 晶体管导通。在节点B，该电路可以被视为一个分压器，电压可以使用以下公式计算：

输入电压=0V，参考电压=5V

Va=(Ra + Rb/Ra + Rb + R1) * Vref

Vb=(Rb/Rb + R1 + Ra) * Vref

T2晶体管的导通电压很低，晶体管的发射极电压为0.7V，低于晶体管基极电压1.28V。

因此，增加输入电压会导致T1晶体管的值交叉，导致晶体管导通。这导致晶体管T2 基极端子处的电压降。当T2 晶体管不再导通时，输出电压增加。

此后，T1晶体管基极端子的Vin（输入电压）开始抑制并且晶体管变得不活动，因为晶体管的基极端子电压比发射极端子高0.7V。

当晶体管进入正向激活模式时发射极电流去除结束时，就会发生这种情况。因此，集电极电压升高，T2晶体管的基极端子也升高。这会导致非常少量的电流流过T2 晶体管，进一步降低晶体管发射极的电压并关闭T1 晶体管。在这种情况下，输入电压必须降低1.3V 才能停用T1 晶体管。因此，最后两个阈值电压为1.9V和1.3V。 3. IC 555 施密特触发器

采用IC555的施密特触发器电路图如下所示。下面的电路可以用基本的电子元件构建，但IC555是该电路的重要组成部分。 IC 的两个引脚（例如引脚4 和引脚8）均连接至Vcc 电源。两个引脚（例如2 和6）短接在一起，输入通过电容器馈送到一起。

使用555IC的施密特触发器

可以使用由两个电阻器（即R1 和R2）形成的分压器规则为两个引脚的公共点提供外部偏置电压(Vcc/2)。当输入位于两个阈值（称为滞后）之间时，输出保持其值。该电路的工作原理类似于存储元件。

阈值是2/3Vcc 1/3Vcc。上部比较器以2/3Vcc 电源运行，次级比较器以1/3Vcc 电源运行。

使用单独的比较器将临界电压与两个阈值进行比较。以这种方式，触发器（FF）被放置或重新排列。输出将相应地高或低。 4. 施密特触发器振荡器

通过连接单个RC 集成电路，施密特触发器可以用作振荡器。施密特触发器振荡器的电路图如下所示。

施密特触发振荡器

电路的输出是连续的方波。波形的频率取决于R、C的值和施密特触发器的阈值点。

其中k 是0.2 到1 范围内的常数。 5.CMOS施密特触发器

简单的信号反转电路产生与输入信号相反的输出信号。例如，在简单的逆变器电路中，如果输入信号为高电平，则输出信号将为低电平。

然而，如果输入信号中存在尖峰（噪声），则输出信号将对尖峰的变化做出反应，从而导致不良结果，这就是使用CMOS 施密特触发器的原因。

下图显示了简单信号反转电路的波形。

简单信号反转电路的波形

在第一个波形中，输入信号没有噪声。所以输出是完美的。然而，在第二个图中，输入信号包含噪声，并且输出也会对该噪声做出反应。为了避免这种情况，使用了CMOS 施密特触发器。

CMOS施密特触发器结构

下面的电路图显示了CMOS 施密特触发器的结构。 CMOS 施密特触发器由六个晶体管组成，包括PMOS 和NMOS 晶体管。

下图显示了CMOS 施密特触发器。

CMOS施密特触发器

PMOS 和NMOS 晶体管的符号如下图所示。

PMOS 和NMOS 晶体管

当VG 大于VS 或VD 时，NMOS 晶体管导通。当VG小于VS或VD时PMOS管导通。 CMOS 施密特触发器将PMOS 和NMOS 晶体管添加到简单的反相器电路中。

在第一种情况下，输入电压非常高。在这种情况下，PN晶体管导通，NN晶体管截止。为节点A 创建一条接地路径。因此，CMOS施密特触发器的输出将为零。

在第二种情况下，输入电压非常高。在这种情况下，NN晶体管导通，PN晶体管截止。创建从节点B 到电压DD（高）的路径。因此，CMOS施密特触发器的输出将为高电平。

五、施密特触发器的主要用途1、简单振荡器

有两个阈值允许施密特触发器表现得像可预测的振荡器。底部：简单施密特触发振荡器

施密特触发振荡器

假设电容器最初未充电。由于该门是反相门，因此它会将其检测为输入低电平并将输出设置为高电平。

电容器开始通过电阻R 充电。当达到上限阈值时，栅极将输出切换为低电平，将电容器放电至下限阈值并提供可预测的频率输出。

频率表达式可以通过几个数学公式导出。

频率表达

其中R和C是电阻和电容，VT+是上阈值，VT-是下阈值，V DD 是电源电压。注意“大约等于”符号。 2. 开关去抖

使用机械开关作为逻辑输入并不是最好的主意。开关触点往往有些弹性，可能会引起大量不必要的颤动，从而导致多次转换和进一步的故障。在简单的RC 电路中使用施密特触发器可以缓解这些问题。

下图：施密特触发开关去抖器

施密特触发开关去抖器

当按下开关时，电容器放电，输出处于高电平一段时间，直到电容器再次充电，在输出处产生干净的脉冲。

3.其他用途

施密特触发器主要用于将正弦波转换为方波。它们通常用于信号调理等应用中，以消除数字电路中的信号噪声。它们用于在闭环负响应设计中实现张弛振荡器。它们用于开关电源和函数发生器。这就是您需要了解的有关施密特触发器的全部信息。如果您也能支持我们，我们将不胜感激。请喜欢并关注。如果有什么疑问，可以在评论里留言，我们一起讨论。

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