使用运算放大器实现施密特触发器

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接口信号，并在不同的逻辑家族内转换电平。

在此过程中遇到的一个主要问题是噪声的拾取。数字信号天生就快，因为它们处理高频率和快速上升和下降沿。然而，另一方面(模拟)处理的信号在上升和下降时间方面的变化速度要慢得多。

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，我们将讨论在何处使用施密特触发器，它们是如何工作的，以及如何使用运放构建施密特触发器。

为什么是施密特触发器而不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，由于上升和下降时间缓慢，可能会通过阈值电压发生多次转换，从而在输出上产生多个脉冲，这是不希望看到的。这种行为类似于开关反弹，如下图所示。

施密特触发器是如何工作的?

施密特触发器是一种作为比较器的装置。名称中的术语触发器来自这样一个事实，即它的作用就像一个锁存器，当达到某个阈值时触发。

在这种情况下，它是一种一旦输入穿过一定电压就改变高低阈值的器件。

这样，由于阈值电压在第一次转换之后发生变化，因此可以防止多次转换。这可以防止由于从输入端拾取的噪声而在输出端产生不需要的脉冲。

为了理解这一点，我们可以看一下滞后图，如下图所示。

它显示了输入和阈值如何根据输入变化之间的关系。

跟随箭头，输入从地面开始并不断增加，直到穿过VTR2。在这一点上，输出改变状态并变高。

但是即使输入再次穿过VTR2，输出也不会改变状态，因为阈值现在已经改变了。输入现在必须低于VTR1才能使输出变低。

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

如何使用运放作为施密特触发器

运算放大器可以用作比较器，但如果没有变化的阈值，它就会受到噪声和不需要的输出转换的影响。

在运算放大器中使用几个可以改变阈值水平的离散部件来实现迟滞是很容易的。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是为了进行演示。运放采用12V导轨供电。

运算放大器的反相输入作为信号输入，反馈网络围绕非反相输入和输出构建。我在面包板上构建了电路，我的施密特触发器使用运放实验如下所示。现在，不要与电路板上的所有额外组件混淆。741运算放大器及其连接显示在左侧。在右边，我们有锯齿发生器电路，我们用来测试我们的设置。如果你有一个波形发生器，你可以跳过这一步。

阈值电压由连接在电源和地之间的两个电阻设定。因为这里的电源电压是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，这是用来改变阈值电压。

中心阈值电压由分压器上电阻的值设定，由公式给出：

式中VCTH为中心阈值电压，VIN为输入电压，RB为下电阻，RT为上电阻。

让我们假设运算放大器的输出为一低电平。这意味着连接在非反相输入和输出之间的电阻并联连接到分压器上的底部电阻。因此，下阈值电压由公式给出：

其中VBTH为底电压阈值，VIN为输入电压，RB为底电阻，RT为顶电阻，RH为滞回电阻。

当运放的输出变高时，反馈电阻与分压器的顶电阻并联，阈值电压为：

其中VTTH为顶电压阈值，RB为底电阻，RH为滞回电阻。应用迟滞的结果是相当显著的。

上图显示了没有迟滞的波形-黄色波形是输入-锯齿波形与叠加的方波来模拟噪声，粉红色波形是阈值电压，蓝色波形是输出波形。输出波形在下降沿上有不必要的尖峰，这是由输入通过阈值电压的多次转换引起的。

有几点需要注意：

1. 为了保证稳定性和快速响应，必须在滞后电阻上并联一个小电容。

2. 输出摆幅的限制可以显示为迟滞阈值的误差，因为迟滞电阻没有直接连接到电源或地，而是连接到几个二极管的上下，因为运算放大器的输出级。

上图显示了如何将运算放大器配置为施密特触发器来解决这个问题。输出波形现在是干净的，没有噪音或不必要的过渡。还可以清楚地看到阈值电压在每个高、低跃迁之间的变化。你也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，因此其输出级不适合快速振荡。在其中一个轨道饱和后，输出可能需要一些时间才能恢复，这将导致速度损失。

2. 运算放大器输出速率有限，这可能会违反某些数字系统的边缘定时要求。

3. 运算放大器输入通常有一个共模输入限制，如果超过这个限制，可能会导致输出相位反转等问题。

本文编译自circuitdigest