Introducció a Schmitt Trigger

Gairebé qualsevol circuit digital utilitzat en les comunicacions modernes de dades d’alta velocitat necessita alguna forma d’acció de desencadenament de Schmitt a les seves entrades.

Per què s’utilitza Schmitt Trigger

El propòsit principal d'un activador de Schmitt aquí és eliminar el soroll i les interferències a les línies de dades i proporcionar una bona sortida digital neta i amb transicions de vora ràpides.

Els temps de pujada i baixada han de ser prou baixos en una sortida digital perquè es puguin aplicar com a entrades a les etapes següents en un circuit. (Molts IC tenen limitacions del tipus de transició de vora que pot aparèixer en una entrada).

El principal avantatge dels desencadenants de Schmitt aquí és que netegen els senyals sorollosos mentre mantenen un flux de dades elevat, a diferència dels filtres, que poden filtrar el soroll, però alentir la velocitat de dades significativament.

Els desencadenants de Schmitt també es troben habitualment en circuits que necessiten una forma d'ona amb transicions de vora lenta per convertir-se en una forma d'ona digital amb transicions de vora ràpides i netes.

Un activador Schmitt pot transformar gairebé qualsevol forma d'ona analògica (com ara una ona sinusoïdal o una forma d'ona de dents de serra) en un senyal digital ON-OFF amb transicions ràpides de vora. Els activadors Schmitt són dispositius digitals actius amb una entrada i una sortida, com un buffer o un inversor.

En funcionament, la sortida digital pot ser alta o baixa, i aquesta sortida canvia d'estat només quan la seva tensió d'entrada supera o baixa per sota de dos límits de tensió llindar predeterminats. Si la sortida és baixa, la sortida no canviarà a alta tret que el senyal d’entrada superi un límit superior determinat.

De la mateixa manera, si la sortida és alta, la sortida no canviarà a baixa fins que el senyal d'entrada passi per sota de cert límit de llindar inferior.

El llindar inferior és una mica inferior al límit superior. Es pot aplicar qualsevol tipus de forma d'ona a l'entrada (ones sinusoïdals, dents de serra, formes d'ona d'àudio, polsos, etc.) sempre que la seva amplitud estigui dins del rang de tensió de funcionament.

Diagarm per explicar Schmitt Trigger

El diagrama següent mostra la histèresi resultant dels valors del llindar de tensió d’entrada superior i inferior. Sempre que l’entrada supera el límit superior del llindar, la sortida és alta.

Quan l’entrada està per sota del llindar inferior, la sortida és baixa i quan la tensió del senyal d’entrada es troba entre els límits del llindar superior i inferior, la sortida manté el seu valor anterior, que pot ser alt o baix.

La distància entre el llindar inferior i el llindar superior s’anomena bretxa d’histèresi. La sortida sempre conserva el seu estat anterior fins que l’entrada canvia prou com per provocar que canviï. Aquesta és la raó de la designació 'activador' del nom.

El disparador Schmitt funciona de la mateixa manera que un circuit de tancament biestable o un multivibrador biestable, ja que té una memòria interna d'1 bit i canvia l'estat en funció de les condicions del disparador.

Ús de la sèrie IC 74XX per al funcionament de l’activador Schmitt

Texas Instruments proporciona funcions d’activació de Schmitt en gairebé totes les seves famílies de tecnologia, des de l’antiga família 74XX fins a la nova família AUP1T.

Aquests circuits integrats es poden empaquetar amb un activador Schmitt inversor o no inversor. La majoria dels dispositius d’activació de Schmitt, com el 74HC14, tenen nivells llindars a una proporció fixa de Vcc.

Això pot ser adequat per a la majoria d’aplicacions, però de vegades cal canviar els nivells de llindar en funció de les condicions del senyal d’entrada.

Per exemple, l’interval de senyal d’entrada pot ser menor que l’espai d’histèresi fix. Els nivells de llindar es poden canviar en circuits integrats com el 74HC14 mitjançant la connexió d’una resistència de retroalimentació negativa de sortida a entrada juntament amb una altra resistència que connecta el senyal d’entrada a l’entrada del dispositiu.

Això proporciona la retroalimentació positiva necessària per a la histèresi, i la bretxa d’histèresi ara es pot ajustar canviant els valors de les dues resistències afegides o mitjançant un potenciòmetre. Les resistències haurien de tenir un valor suficient per mantenir la impedància d’entrada a un nivell alt.

Un desencadenant de Schmitt és un concepte senzill, però no es va inventar fins al 1934, mentre que un científic nord-americà anomenat Otto H. Schmitt encara era un estudiant de postgrau.

Quant a Otto H. Schmitt

No era enginyer elèctric, ja que els seus estudis se centraven en enginyeria biològica i biofísica. Se li va ocórrer la idea d’un disparador de Schmitt mentre intentava dissenyar un dispositiu que repliqués el mecanisme de propagació d’impuls neuronal en els nervis de calamar.

La seva tesi descriu un 'activador termiónico' que permet convertir un senyal analògic en un senyal digital, que està ple o desactivat ('1' o '0').

Poc sabia que les principals empreses d'electrònica com Microsoft, Texas Instruments i NXP Semiconductors no podrien existir tal com són avui sense aquest invent únic.

El disparador Schmitt va resultar ser un invent tan important que s’utilitza en els mecanismes d’entrada de pràcticament tots els dispositius electrònics digitals del mercat.

Què és un activador Schmitt

El concepte d’activador de Schmitt es basa en la idea de retroalimentació positiva i el fet que qualsevol circuit o dispositiu actiu es pugui fer actuar com un activador de Schmitt aplicant la retroalimentació positiva de manera que el guany del bucle sigui superior a un.

La tensió de sortida del dispositiu actiu s’atenua amb una quantitat determinada i s’aplica com a retroalimentació positiva a l’entrada, cosa que afegeix efectivament el senyal d’entrada a la tensió de sortida atenuada, cosa que crea una acció d’histèresi amb valors llindars de tensió d’entrada superior i inferior.

La majoria dels buffers, inversors i comparadors estàndard utilitzen només un valor llindar. La sortida canvia d'estat tan aviat com la forma d'ona d'entrada creua aquest llindar en qualsevol direcció.

Com funciona Schmitt Trigger

Un senyal d'entrada sorollós o un senyal amb forma d'ona lenta apareixerà a la sortida com una sèrie d'impulsos de soroll.

Un activador de Schmitt neteja això: després que la sortida canviï d'estat quan la seva entrada creua un llindar, el llindar també canvia, de manera que ara la tensió d'entrada ha de moure's més lluny en la direcció oposada per tornar a canviar d'estat.

El soroll o la interferència a l’entrada no apareixerien a la sortida tret que la seva amplitud sigui superior a la diferència entre els dos valors llindars.

Qualsevol senyal analògic, com ara formes d’ona sinusoïdals o senyals d’àudio, es pot traduir en una sèrie d’impulsos ON-OFF amb transicions de vora ràpides i netes. Hi ha tres mètodes per implementar la retroalimentació positiva per formar un circuit d’activació de Schmitt.

Com funcionen els comentaris a Schmitt Trigger

En la primera configuració, la retroalimentació s'afegeix directament a la tensió d'entrada, de manera que la tensió ha de canviar una quantitat més gran en la direcció oposada per provocar un altre canvi en la sortida.

Això es coneix comunament com retroalimentació positiva paral·lela.

En la segona configuració, la retroacció es resta del voltatge llindar, que té el mateix efecte que afegir retroalimentació a la tensió d'entrada.

Això forma un circuit de retroalimentació positiva en sèrie, i de vegades s’anomena circuit llindar dinàmic. Una xarxa de divisors de resistències normalment estableix el voltatge llindar, que forma part de l’etapa d’entrada.

Els dos primers circuits es poden implementar fàcilment mitjançant l’ús d’un sol opamp o dos transistors juntament amb algunes resistències. La tercera tècnica és una mica més complexa i és diferent perquè no té comentaris sobre cap part de l’etapa d’entrada.

Aquest mètode utilitza dos comparadors separats per als dos valors límit de llindar i un xanclet com a element de memòria d'1 bit. No hi ha cap retroalimentació positiva aplicada als comparadors, ja que estan continguts a l'element de memòria. Cadascun d’aquests tres mètodes s’explica amb més detall als paràgrafs següents.

Tots els activadors de Schmitt són dispositius actius que confien en la retroalimentació positiva per aconseguir la seva acció d’histèresi. La sortida passa a 'alta' cada vegada que l'entrada supera un límit superior determinat del llindar superior i passa a 'baixa' cada vegada que l'entrada baixa per sota d'un límit inferior.

La sortida conserva el seu valor anterior (baix o alt), quan l'entrada està entre els dos límits llindars.

Aquest tipus de circuit s’utilitza sovint per netejar senyals sorollosos i convertir una forma d’ona analògica en una forma d’ona digital (1 i 0) amb transicions netes i ràpides.

Tipus de comentaris als circuits de desencadenament de Schmitt

Normalment, hi ha tres mètodes que s’utilitzen per implementar la retroalimentació positiva per formar un circuit d’activació de Schmitt. Aquests mètodes són comentaris paral·lels, comentaris de sèries i comentaris interns, i es discuteixen de la manera següent.

Les tècniques de retroalimentació en paral·lel i en sèrie són en realitat versions duals del mateix tipus de circuit de retroalimentació. Retroalimentació paral·lela Un circuit de retroalimentació paral·lela de vegades es denomina circuit de tensió d'entrada modificada.

En aquest circuit, la retroalimentació s’afegeix directament a la tensió d’entrada i no afecta la tensió llindar. A mesura que la retroalimentació s'afegeix a l'entrada quan la sortida canvia d'estat, la tensió d'entrada ha de canviar en una quantitat més gran en la direcció oposada per provocar un canvi més en la sortida.

Si la sortida és baixa i el senyal d’entrada augmenta fins al punt en què creua el voltatge llindar i la sortida canvia a alta.

Part d'aquesta sortida s'aplica directament a l'entrada mitjançant un bucle de retroalimentació, que 'ajuda' a mantenir la tensió de sortida en el seu nou estat.

Això augmenta efectivament la tensió d'entrada, que té el mateix efecte que la reducció del voltatge llindar.

El voltatge de llindar en si mateix no es modifica, però l’entrada ara s’ha de moure més lluny en la direcció descendent per canviar la sortida a un estat baix. Un cop la sortida és baixa, aquest mateix procés es repeteix per tornar a l'estat alt.

Aquest circuit no ha d’utilitzar un amplificador diferencial, ja que funcionarà qualsevol amplificador sense inversió d’un sol extrem.

Tant el senyal d'entrada com la retroalimentació de sortida s'apliquen a l'entrada no inversora de l'amplificador a través de resistències, i aquestes dues resistències formen un estiu paral·lel ponderat. Si hi ha una entrada d'inversió, s'estableix a una tensió de referència constant.

Exemples de circuits de retroalimentació paral·lels són un circuit d’activació de Schmitt acoblat a base de col·lector o un circuit d’amplificador operatiu que no inverteix, com es mostra:

Suggeriments sobre la sèrie

Un circuit de llindar dinàmic (retroalimentació en sèrie) funciona bàsicament de la mateixa manera que un circuit de retroalimentació paral·lel, excepte que la retroalimentació de la sortida canvia directament la tensió llindar en lloc de la tensió d’entrada.

La retroacció es resta del voltatge llindar, que té el mateix efecte que afegir retroalimentació a la tensió d’entrada. Tan bon punt l’entrada creua el límit de tensió llindar, la tensió llindar canvia al valor contrari.

Ara l’entrada ha de canviar en major mesura en la direcció oposada per tornar a canviar l’estat de sortida. La sortida està aïllada de la tensió d’entrada i només afecta la tensió llindar.

Per tant, la resistència d'entrada es pot fer molt més gran per a aquest circuit de sèrie en comparació amb un circuit paral·lel. Aquest circuit es basa generalment en un amplificador diferencial on l'entrada està connectada a l'entrada d'inversió i la sortida es connecta a l'entrada no inversora a través d'un divisor de tensió de resistència.

El divisor de tensió estableix els valors llindars i el bucle actua com un estiu de tensió en sèrie. Alguns exemples d’aquest tipus són el clàssic disparador Schmitt acoblat a un emissor de transistors i un circuit d’amplificador operatiu inversor, com es mostra aquí:

Comentaris interns

En aquesta configuració, es crea un activador de Schmitt mitjançant l'ús de dos comparadors separats (sense histèresi) per als dos límits de llindar.

Les sortides d’aquests comparadors estan connectades a les entrades configurades i restablertes d’un xanclet RS. El feedback positiu es troba dins del xanclet, de manera que no hi ha comentaris als comparadors. La sortida del xanclet RS commuta a l’alt quan l’entrada supera el llindar superior i es commuta a baix quan l’entrada baixa per sota del llindar inferior.

Quan l'entrada està entre els llindars superior i inferior, la sortida manté el seu estat anterior. Un exemple de dispositiu que utilitza aquesta tècnica és el 74HC14 fabricat per NXP Semiconductors i Texas Instruments.

Aquesta part consisteix en un comparador de llindars superiors i un comparador de llindars inferiors, que s’utilitzen per configurar i restablir un xanclet RS. El disparador Schmitt 74HC14 és un dels dispositius més populars per a la interfície de senyals del món real amb electrònica digital.

Els dos límits llindars d’aquest dispositiu s’estableixen a una proporció fixa de Vcc. Això minimitza el recompte de peces i fa que el circuit sigui senzill, però de vegades cal canviar els nivells de llindar per a diferents tipus de condicions de senyal d'entrada.

Per exemple, el rang del senyal d'entrada pot ser menor que el rang de voltatge fix de la histèresi. Els nivells de llindar es poden canviar al 74HC14 connectant una resistència de retroalimentació negativa des de la sortida a l’entrada i una altra resistència que connecta el senyal d’entrada a l’entrada.

Això redueix efectivament la retroalimentació positiva fixada del 30% a un valor inferior, com ara el 15%. És important utilitzar resistències d’alt valor per a això (rang Mega-Ohm) per mantenir alta la resistència d’entrada.

Avantatges del disparador Schmitt

Els activadors Schmitt tenen un propòsit en qualsevol tipus de sistema de comunicació de dades d’alta velocitat amb algun tipus de processament de senyal digital. En realitat, serveixen per a un doble propòsit: netejar el soroll i les interferències de les línies de dades tot mantenint un flux de dades elevat i convertir una forma d’ona analògica aleatòria en una forma d’ona digital ON-OFF amb transicions de vora ràpides i netes.

Això proporciona un avantatge respecte als filtres, que poden filtrar el soroll, però disminueixen significativament la velocitat de dades a causa del seu ample de banda limitat. A més, els filtres estàndard no són capaços de proporcionar una sortida digital neta i agradable amb transicions de vora ràpides quan s'aplica una forma d'ona d'entrada lenta.

Aquests dos avantatges dels activadors de Schmitt s’expliquen amb més detall de la següent manera: Entrades de senyal sorolloses Els efectes del soroll i la interferència són un problema important en els sistemes digitals, ja que s’utilitzen cables més llargs i es requereixen velocitats de dades cada vegada més altes.

Algunes de les maneres més habituals de reduir el soroll són l’ús de cables blindats, l’ús de cables retorçats, la combinació d’impedàncies i la reducció d’impedàncies de sortida.

Aquestes tècniques poden ser efectives per reduir el soroll, però encara quedarà una mica de soroll en una línia d’entrada i això podria provocar senyals no desitjats dins d’un circuit.

La majoria de memòries intermèdies, inversors i comparadors estàndard utilitzats en circuits digitals només tenen un valor llindar a l'entrada. Per tant, la sortida canvia d’estat tan aviat com la forma d’ona d’entrada creua aquest llindar en qualsevol direcció.

Si un senyal de soroll aleatori creua aquest punt llindar en una entrada diverses vegades, es veurà a la sortida com una sèrie de polsos. A més, una forma d'ona amb transicions de vora lenta podria aparèixer a la sortida com una sèrie de polsos de soroll oscil·lants.

De vegades, s’utilitza un filtre per reduir aquest soroll extra, com en una xarxa RC. Però cada vegada que s’utilitza un filtre com aquest al camí de dades, alenteix la velocitat màxima de dades de manera significativa. Els filtres bloquegen el soroll, però també bloquegen els senyals digitals d’alta freqüència.

Filtres d'activació de Schmitt

Un activador de Schmitt neteja això. Després que la sortida canviï el seu estat quan la seva entrada creua un llindar, el llindar també canvia, de manera que l'entrada ha de moure's més lluny en la direcció oposada per provocar un altre canvi en la sortida.

A causa d’aquest efecte d’histèresi, l’ús de desencadenants de Schmitt és probablement la forma més eficaç de reduir els problemes de soroll i interferències en un circuit digital. Normalment, els problemes de soroll i interferències es poden resoldre, si no s’eliminen, afegint histèresi a la línia d’entrada en forma de disparador de Schmitt.

Mentre l’amplitud del soroll o la interferència a l’entrada sigui inferior a l’amplada de la diferència d’histèresi del disparador Schmitt, no hi haurà efectes de soroll a la sortida.

Fins i tot si l’amplitud és lleugerament superior, no hauria d’afectar la sortida tret que el senyal d’entrada estigui centrat a la bretxa d’histèresi. És possible que s’hagi d’ajustar els nivells de llindar per aconseguir la màxima eliminació de soroll.

Això es pot fer fàcilment canviant els valors d’una resistència a la xarxa de retroalimentació positiva o mitjançant un potenciòmetre.

El principal avantatge que proporciona un activador de Schmitt sobre els filtres és que no disminueix la velocitat de dades i, de fet, l’accelera en alguns casos mitjançant la conversió de formes d’ona lenta en formes d’ona ràpides (transicions de vora més ràpides). El mercat actual utilitza alguna forma d’acció de desencadenament de Schmitt (histèresi) a les seves entrades digitals.

Aquests inclouen MCU, xips de memòria, portes lògiques, etc. Tot i que aquestes CI digitals poden tenir histèresi a les seves entrades, moltes d’elles també tenen limitacions per als temps de pujada i baixada d’entrada que es mostren a les seves fitxes d’especificacions, i cal tenir-les en compte. Un activador ideal de Schmitt no té cap limitació de temps de pujada o baixada en la seva entrada.

Les formes d’ona d’entrada lenta de vegades la bretxa d’histèresi és massa petita, o només hi ha un valor llindar (un dispositiu d’activació que no és Schmitt) on la sortida augmenta si l’entrada augmenta per sobre del llindar i la sortida baixa si el senyal d’entrada cau per sota això.

En casos com aquests, hi ha una àrea marginal al voltant del llindar i un senyal d’entrada lent pot causar fàcilment que flueixin oscil·lacions o excés de corrent a través del circuit, cosa que fins i tot pot danyar el dispositiu. circuits en condicions d’alimentació o altres en què s’utilitza un filtre (com una xarxa RC) per alimentar senyals a les entrades.

Problemes d’aquest tipus sovint es produeixen dins dels circuits de “rebot” d’interruptors manuals, cables llargs o cablejats i circuits molt carregats.

Per exemple, si s'aplica un senyal de rampa lenta (integrador) a una memòria intermèdia i creua el punt llindar únic a l'entrada, la sortida canviarà l'estat (de baix a alt, per exemple). Aquesta acció de desencadenament pot provocar que s’extreu momentàniament corrent addicional de la font d’alimentació i també reduir lleugerament el nivell de potència de VCC.

Aquest canvi podria ser suficient per fer que la sortida canviés el seu estat de nou a més alt, ja que la memòria intermèdia intueix que l’entrada ha tornat a creuar el llindar (tot i que l’entrada es mantingui igual). Això es podria repetir de nou en la direcció oposada, de manera que apareixerien una sèrie de polsos oscil·lants a la sortida.

L’ús d’un activador de Schmitt en aquest cas no només eliminarà les oscil·lacions, sinó que també traduirà les transicions de vora lenta en una sèrie neta d’impulsos ON-OFF amb transicions de vora gairebé verticals. La sortida d'un activador de Schmitt es pot utilitzar com a entrada al dispositiu següent segons les seves especificacions de temps de pujada i baixada.

(Tot i que es poden eliminar les oscil·lacions mitjançant un activador de Schmitt, encara podria haver-hi un excés de flux de corrent en una transició, que pot ser que s’hagi de corregir d’una altra manera).

El disparador de Schmitt també es troba en els casos en què una entrada analògica, com una forma d'ona sinusoïdal, una forma d'ona d'àudio o una forma d'ona de dents de serra, s'ha de convertir en una ona quadrada o algun altre tipus de senyal digital ON-OFF amb transicions de vora ràpides.