斯密特觸發器

斯密特觸發器又稱斯密特非門，是具有滯後特性的數字傳輸門。該器件既可以像普通“與非”門那樣工作，也可以接成斯密特觸發器來使用。

基本介紹

• 中文名：斯密特觸發器
• 外文名：Schmitt trigger
• 1：又稱斯密特非門
• 2：具有滯後特性的數字傳輸門
• 3：可以接成斯密特觸發器來使用

概述

在電子學中，密特觸發器（英語：Schmitt trigger）是包含正反饋的比較器電路。

對於標準斯密特觸發器，當輸入電壓高於正向閾值電壓，輸出為高；當輸入電壓低於負向閾值電壓，輸出為低；當輸入在正負向閾值電壓之間，輸出不改變，也就是說輸出由高電準位翻轉為低電準位，或是由低電準位翻轉為高電準位對應的閾值電壓是不同的。只有當輸入電壓發生足夠的變化時，輸出才會變化，因此將這種元件命名為觸發器。這種雙閾值動作被稱為遲滯現象，表明斯密特觸發器有記憶性。從本質上來說，施密特觸發器是一種雙穩態多諧振盪器。

斯密特觸發器可作為波形整形電路，能將模擬信號波形整形為數字電路能夠處理的方波波形，而且由於斯密特觸發器具有滯回特性，所以可用於抗干擾，其套用包括在開迴路配置中用於抗擾，以及在閉迴路正回授/負回授配置中用於實現多諧振盪器。

發明

斯密特觸發器是由美國科學家奧托·赫伯特·斯密特（Otto Herbert Schmitt）於1934年發明，當時他只是一個研究生，後於1937年他在其博士論文中將這一發明描述為“熱電子觸發器”（thermionic trigger）。這一發明是斯密特對魷魚神經中的神經脈衝傳播進行研究的直接成果。

符號

電路圖中的斯密特觸發器符號是一個三角中畫有一個反相或非反相滯回符號。這一符號描繪了對應的理想滯回曲線。

反向斯密特觸發器

實現

斯密特觸發器可以利用簡單的隧道二極體實現，這種二極體的伏安特性在第一象限中是一條“N”形曲線。振盪輸入會使二極體的伏安特性從“N”形曲線的上升分支移動到另一分支，然後在輸入值超越上升和下降翻轉閾值時回到起點。不過，這類施密特觸發器的性能可以利用基於電晶體的元件來提升，因為基於電晶體的元件可以通過非常直接的利用正反饋來提升翻轉性能。

兩個電晶體實現的斯密特觸發器

在使用正反饋配置實現的施密特觸發器中，比較器自身可以實現的大部分複雜功能都沒有使用。因此，電路可以用兩個交叉耦合的電晶體來實現（即電晶體可以用另外一種方式來實現輸入級）。基於2個電晶體的施密特觸發電路如下圖所示。通路R_C1R₁R₂設定了電晶體T2的基極電壓，不過，這一分壓通路會受到電晶體T1的影響，如果T1開路，通路將會提供更高的電壓。因此，在兩個狀態間翻轉的閾值電壓取決於觸發器的現態。

對於如上所示的NPN電晶體，當輸入電壓遠遠低於共射極電壓時，T1不會導通。電晶體T2的基極電壓由上述分壓電路決定。由於接入負反饋，共射極上所加的電壓必須幾乎與分壓電路上所確定的電壓幾乎一樣高，這樣就能使T2導通，並且觸發器的輸出是低電平狀態。當輸入電壓（T1基極電壓）上升到比電阻R_E上的電壓（射極電壓）稍高時，T1將會導通。當T1開始導通時，T2不再導通，因為此時分壓通路提供的電壓低於T2基極電壓，而射極電壓不會降低，因為T1此時消耗通過R_E的電流。此時T2不導通，觸發器過渡到高電平狀態。

此時觸發器處於高電平狀態，若輸入電壓降低得足夠多，則通過T1的電流會降低，這會降低T2的共射極電壓並提高其基極電壓。當T2開始導通時，R_E上的電壓上升，然後會降低T1的基極－射極電位，T1不再導通。

在高電平狀態時，輸出電壓接近V+；但在低電平狀態時，輸出電壓仍會遠遠高於V−。因此在這種情況下，輸出電壓不夠低，無法達到邏輯低電平，這就需要在觸發器電路上附加放大器。

上述電路可以被簡化：R₁可以用短路連線代替，這樣T2基極就直接連線到T1集電極，R₂可以去掉並以開路代替。電路運行的關鍵是當T1接通（電流輸入基極的結果）時，通過R_E的電流比T1截止時小，因為T1導通時會使T2截止，而當T2導通時，相比T1會為R_E提供更大的通過電流。當流入R_E的電流減小時，其上的電壓會降低，因此一旦電流開始流入T1，輸入電壓一定會降低以使T1回到截止狀態，這是因為此時T1的射極電壓已降低。這一施密特觸發緩衝器也可以變成一個施密特觸發反相器，而且在此過程中還能省去一個電阻，方法是將R_K2以短接代替，並將V_out連線到T2射極而不是集電極。不過在這種情況下，R_E的阻值應該更大，因為此時R_E要充當輸出端的下拉電阻，作用是當輸出應該為低電平時，其會降低輸出端的電壓。若R_E的阻值較小，其上只能產生一個較小的電壓，在輸出應該為數字低電平時，這一電壓實際上會提高輸出電壓。

功能說明

它是一種閾值開關電路，具有突變輸入——輸出特性的門電路。這種電路被設計成阻止輸入電壓出現微小變化（低於某一閾值）而引起的輸出電壓的改變。 當輸入電壓由低向高增加，到達V+時，輸出電壓發生突變，而輸入電壓Vi由高變低，到達V-時，輸出電壓發生突變，因而出現輸出電壓變化滯後的現象，可以看出對於要求一定延遲啟動的電路，它是特別適用的。

斯密特觸發器波形圖

而從IC內部的邏輯符號和“與非”門的邏輯符號相比就略有不同，它增加了一個類似方框的圖形，該圖形正是代表斯密特觸發器一個重要的滯後特性。滯後特性是指當把輸入端並接成非門時，它們的輸入、輸出特性是：當輸入電壓V1上升到VT+電平時，觸發器翻轉，輸出負跳變；過了一段時間輸入電壓回降到VT+電平時，輸出並不回到初始狀態而需輸入V1繼續下降到VT－電平時，輸出才翻轉至高電平（正跳變），用公式：VT+—VT－=△VT 表示，△VT稱為斯密特觸發器的滯後電壓。△VT與IC的電源電壓有關，當電源電壓提高時，△VT略有增加，一般△VT值在3V左右。因斯密特觸發器具有電壓的滯後特性，常用它對脈衝波形整形，使波形的上升沿或下降沿變得陡直；有時還用它作電壓幅度鑑別，在數字電路中它也是很常用的器件。

斯密特觸發器原理圖

零件特點

斯密特觸發器具有如下兩個特點：

1、電路具有兩個閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓和負向閾值電壓；

2、與雙穩態觸發器和單穩態觸發器不同，斯密特觸發器屬於“電平觸髮型”電路，不依賴於邊沿陡峭的脈衝。

套用

施斯密特觸發器在開環配置中常用於抗擾，在閉環正反饋配置中用於實現多諧振盪器。

抗擾

斯密特觸發器的一個套用是增強僅有單輸入閾值的電路的抗擾能力。由於只有一個輸入閾值，閾值附近的噪聲輸入信號會導致輸出因噪聲來回地快速翻轉。但是對於施密特觸發器，閾值附近的噪聲輸入信號只會導致輸出值翻轉一次，若輸出要再次翻轉，噪聲輸入信號必須達到另一閾值才能實現，這就利用了施密特觸發器的回差電壓來提高電路的抗干擾能力。

例如，在仙童半導體公司的QSE15x紅外光電感測器家族中，放大式紅外光電二極體能產生電信號使頻率在絕對最高值和絕對最低值間翻轉。這種電信號經過低通濾波後能產生平滑信號，而這種平滑信號的上升和下降與翻轉信號為開啟或關閉所需時間的相對量一致。濾波後的輸出傳遞到施密特觸發器的輸入。實際結果是施密特觸發器的輸出只從低電平過渡到高電平，而這一過程在接收到的紅外信號以長於某個已知時延的時間激勵光電二極體之後，一旦施密特觸發器的輸出變為高電平，其輸出只會在紅外信號不再以長於類似已知時延的時間激勵光電二極體之後才會變為低電平。鑒於光電二極體容易因為環境中的噪聲發生偽翻轉，由濾波器和施密特觸發器實現的時延能確保輸出只在輸入確實激勵元件時才會翻轉。