使用运算放大器设计一个简单的施密特触发器

施密特触发器的主要应用之一是 模拟电子和 数字电子之间的信号接口，以及不同逻辑系列中的电平转换。

在此过程中遇到的一个主要问题是噪声的拾取。数字信号本质上是快速的，因为它们处理高频和快速上升和下降沿。然而，另一方面（模拟）处理在上升和下降时间方面变化速度慢得多的信号。

为了解决这些问题，我们将 使用运算放大器设计一个简单的施密特触发器。因此，在本文中，我们将讨论施密特触发器的使用位置、工作原理以及如何使用运算放大器构建施密特触发器。

为什么选择施密特触发器而不仅仅是运算放大器比较器？

如果使用简单的比较器来检测模拟信号何时越过阈值，由于缓慢的上升和下降时间，阈值电压可能会发生多次转换，这会导致输出出现多个脉冲，这是不可取的。此行为类似于开关弹跳 ，如下图所示。

施密特触发器如何工作？

施密特触发器是一种用作比较器的设备。名称中的触发器一词来自这样一个事实，即它就像一个闩锁，当达到某个阈值时触发。

在这种情况下，它是一种在输入越过某个电压时立即改变高阈值和低阈值的设备。

这样，由于阈值电压在第一次转换后发生变化，因此可以防止多次转换。这可以防止由于从输入中拾取的噪声而在输出上产生不需要的脉冲。

要理解这一点，看一下称为滞后图的图表会很有帮助，如下图所示。

它显示了输入之间的关系以及阈值如何根据输入而变化。

按照箭头，输入从地面开始并不断增加，直到它穿过 V TR2。此时，输出改变状态并变高。

但即使输入再次越过 V TR2，输出也不会改变状态，因为阈值现在已经改变。输入现在必须低于 V TR1以使输出变低。

通过以这种方式改变阈值电压，在对缓慢和嘈杂的信号进行数字化时，可以防止多个输出转换。

如何使用运算放大器作为施密特触发器

运算放大器可以用作比较器，但如果不改变阈值，它就会成为噪声和不需要的输出转换的牺牲品。

使用一些可以改变阈值电平的分立部件很容易在运算放大器中实现迟滞。在本例中，我们使用 IC 741运算放大器构建了施密特触发器。选择 741 是为了演示。运算放大器使用 12V 电源轨供电。

运算放大器的反相输入作为信号输入，反馈网络围绕同相输入和输出构建。我在面包板上构建了电路，使用运算放大器实验的施密特触发器如下所示。现在，不要与板上所有额外的组件混淆。741 运算放大器及其连接显示在左侧。在右侧，我们有用于测试设置的锯齿波发生器电路。如果您有波形发生器，则可以跳过此步骤。

阈值电压由连接在电源和地之间的两个电阻器设置。由于这里的电源电压是12V，所以阈值电压是6V。

另一个电阻连接在输出和非反相输入之间，用于改变阈值电压。

中心阈值电压由分压器上的电阻值设置，并由以下公式给出：

V CTH = V IN • （R B /（R T + R B ））

其中 VCTH 是中心阈值电压，VIN 是输入电压，RB 是底部电阻，RT 是顶部电阻。

让我们假设运算放大器的输出首先是低电平。这意味着连接在非反相输入和输出之间的电阻器并联连接到分压器上的底部电阻器。因此，下限阈值电压由下式给出：

V BTH ≈ V IN • （R B /（R T • R H / （ R T + R H ） ） ）

其中 VBTH 是底部电压阈值，VIN 是输入电压，RB 是底部电阻，RT 是顶部电阻，RH 是迟滞电阻。

当运算放大器的输出变高时，反馈电阻现在与分压器的顶部电阻并联，阈值电压现在由下式给出：

V TTH ≈ V IN • （R B /（R B • R H / （ R B + R H ） ） ）

其中 VTTH 是最高电压阈值，RB 是底部电阻，RH 是迟滞电阻。应用滞后的结果非常显着。

上图显示了没有迟滞的波形——黄色波形是输入——锯齿波叠加了方波来模拟噪声，粉色波形是阈值电压，蓝色波形是输出波形。由于输入通过阈值电压的多次转换，输出波形在下降沿上有不需要的尖峰。

需要注意的几点：

1. 必须在磁滞电阻上并联一个小电容，以确保稳定性和快速响应。

2. 输出摆幅的限制可能表现为迟滞阈值的误差，因为迟滞电阻器没有直接连接到电源或地，而是连接到相同的上方和下方的几个二极管压降，因为运算放大器的输出级。

上图显示了将运算放大器配置为施密特触发器如何解决此问题。输出波形现在很干净，没有噪声或不需要的过渡。还可以清楚地看到，阈值电压在每个高电平和低电平转换之间发生变化。您还可以在下面链接的视频中查看完整的工作演示。

使用运算放大器作为比较器的注意事项：

1. 运算放大器被设计为放大器，因此它们的输出级不适合快速摆动。在其中一个轨道饱和后，输出可能需要一些时间才能恢复，这会导致速度损失。

2. 运算放大器输出受压摆率限制，这可能违反某些数字系统的边沿时序要求。

3. 运算放大器输入通常有一个共模输入限制，如果超过此限制，可能会导致输出反相等问题。