如何使用晶體管設(shè)計(jì)施密特觸發(fā)器

本文展示了如何使用晶體管設(shè)計(jì)施密特觸發(fā)器，如何改進(jìn)基本設(shè)計(jì)，以及為什么有時(shí)它可能是最好的方法。

主要是關(guān)于：

1、晶體管搭建的施密特觸發(fā)器

2、如何設(shè)計(jì)晶體管施密特觸發(fā)電路?

3、怎么改進(jìn)晶體管施密特觸發(fā)電路

施密特觸發(fā)器有什么作用?

施密特觸發(fā)器是一個(gè)決策電路，用于將緩慢變化的模擬信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換為2 種可能的二進(jìn)制狀態(tài)之一，具體取決于模擬電壓是高于還是低于預(yù)設(shè)閾值。

不能用 CMOS 來設(shè)計(jì)施密特觸發(fā)器嗎?

CMOS器件

CMOS 器件可以用來設(shè)計(jì)施密特觸發(fā)器，但是不能選擇閾值電壓，只能在有限的電源電壓范圍內(nèi)工作，例如：4HC14 在 +5v 下運(yùn)行，閾值通常為 2.4v 和 1.8v。

或者你也可以使用比較器芯片，通過額外的分立電阻定義閾值。

74 CH14

如果你需要處理嘈雜或者失真的數(shù)字信號(hào)，可以使用 CMOS 器件。但如果你要求不尋常的電壓或者精確的閾值，就需要設(shè)計(jì)一個(gè)特殊的電路。

雙晶體管施密特觸發(fā)器及其工作原理

假設(shè)輸入電壓Vi接近于零。T1沒有基極電流，所以它處于關(guān)閉狀態(tài)。T2通過R1和RA汲取基極電流，因此它處于開啟狀態(tài)(根據(jù)設(shè)計(jì)，它處于飽和狀態(tài) - 即其集電極-發(fā)射極電壓V CE接近于零)，因此Vo位于由下式形成的分壓器的中點(diǎn)R2 & RE，介于+V和地之間。

現(xiàn)在假設(shè)Vi開始增加。T1的發(fā)射極電壓由流入T2的電流保持固定，因此當(dāng)Vi達(dá)到高于該值 0.6v(稱為VP)時(shí)，T1將吸收一些基極電流并開始導(dǎo)通。

當(dāng)它這樣做時(shí)，T1開始使T2缺乏基極電流，因此T2開始關(guān)閉，因此其發(fā)射極電壓開始下降。但這會(huì)增加 T1的基極-發(fā)射極電壓，因此T1會(huì)更快地開啟。正反饋使電路進(jìn)入T1開啟(并且設(shè)計(jì)為飽和)而T2關(guān)閉的狀態(tài)。Vo現(xiàn)在靠近+V。

最后，假設(shè)Vi開始回落到零。T1的發(fā)射極電壓現(xiàn)在由其自身的發(fā)射極電流控制。當(dāng)Vi下降到高于該值約 0.6v 時(shí)(稱為VN)，T1將開始關(guān)閉。這允許T2再次開始開啟，將其自己的發(fā)射極電流添加到T1的，從而向上推動(dòng)發(fā)射極電壓。這迫使T1更快地關(guān)閉，并且正反饋再次使電路快速進(jìn)入其他狀態(tài)，T1關(guān)閉，T2開啟。

閾值和電流

我需要強(qiáng)調(diào)一個(gè)重要的設(shè)計(jì)約束。假設(shè)Vi從零開始緩慢上升，并達(dá)到T1開啟的閾值。該閾值 ( VP ) 由流經(jīng)RE的T2的發(fā)射極電流設(shè)置。一旦Vi達(dá)到VP，T2就關(guān)閉，通過RE的電流現(xiàn)在通過T1。

假設(shè)該電流大于來自T2的電流。如果是這樣，T1的發(fā)射極電壓會(huì)在T1開啟時(shí)突然升高。但隨后T1會(huì)突然發(fā)現(xiàn)其基極電壓 ( Vi ) 現(xiàn)在小于其新的發(fā)射極電壓，并會(huì)立即關(guān)閉。但隨后它的發(fā)射極電壓會(huì)再次下降，因此它會(huì)再次開啟。換句話說，電路會(huì)振蕩。

因此，設(shè)計(jì)者必須確保T1中的電流(I1)小于T2中的電流(I2)，否則電路將無法工作!

并且由此得出，T2再次開啟的閾值(VN )必須低于VP。我想，這兩個(gè)閾值之間的差異被稱為電路的“滯后”，類似于變壓器鐵芯中發(fā)生的情況。

設(shè)計(jì)實(shí)例

設(shè)計(jì)一個(gè)電路來數(shù)字化這種嘈雜和失真的信號(hào)。提供+5v 和+24v 的電源軌。輸出信號(hào)必須與在 +5v 下運(yùn)行的數(shù)字邏輯兼容。

如果可以調(diào)整輸入信號(hào)以適應(yīng) +5v 電壓軌，則可以使用基于 CMOS 邏輯(例如 HC14)的解決方案。也可以使用比較器，但這里顯而易見的方法是使用 +24v 電源軌的基于晶體管的設(shè)計(jì)。我會(huì)選擇幾個(gè)容易獲得的 30v npn 開關(guān)——它們和蘋果一樣常見。

警告。以下內(nèi)容不適合那些堅(jiān)持精確的人。設(shè)計(jì)不一定總是涉及困難的總和!

第一步是確定閾值VP。從波形上看，它可能應(yīng)該在 12 或 13v 左右。

接下來，選擇將在T2中流動(dòng)的電流。較低的值可以節(jié)省能源，但意味著集電極負(fù)載電阻的值較高，這可能會(huì)減慢開關(guān)邊沿?，F(xiàn)在在T2中選擇 3 mA 。那么發(fā)射極電阻RE將為 [12v / 3mA] = 4k。使用 3.9kΩ。接下來，將R2計(jì)算為 [(24v - 12v) / 3mA] = 4k。此處也使用 3.9kΩ。

最后，選擇T1的集電極電流，從而選擇較低的閾值電壓VN。噪聲尖峰看起來很麻煩，因此將I1設(shè)置為 [9v / 3.9kΩ] = 2.3mA 時(shí)，將目標(biāo)設(shè)置為 9 或 10v 左右是明智的——這將產(chǎn)生大約 4v 的滯后。那么R1是 [(24v - 9v) / 2.3mA] = 6.5k。使用 6.2kΩ。

R3限制T1的最大基極電流，可以安全地為 [2.3mA / 30] = 77μA(因?yàn)榫w管的電流增益不會(huì)低于 30)，因此R3為 [(24v - 9v) / 77μA] = 194k。使用 180kΩ。(我假設(shè)電路由零阻抗電壓源驅(qū)動(dòng)。如果不是，則可以從R3中減去源阻抗。)

剩下RA & RB。RA用于在T1關(guān)閉時(shí)限制T2的基極電流，而RB確保不受溫度影響。這兩個(gè)電阻形成一個(gè)分壓器，它必須將T2的基極設(shè)置為(例如)12.6v，T1關(guān)閉，并吸收明顯高于T2基極電流的電流，該電流不能超過 [3mA / 30] = 100μA。

選擇通過RA和RB的泄放電流為500μA左右，使其遠(yuǎn)大于T2的基極電流。

那么如果R1為零，RA和RB之和將為 [24v / 0.5mA] = 48kΩ，分壓器中點(diǎn)為 12.6v，[ RB / ( RA + RB )] = [12.6v / 24v] = 0.53，這意味著RB = 1.1 RA。這意味著RB是 [48k x 1.1/2.1] = 25k 并且RA是 [48k - 25k] = 23k。但是R1不是零，而是 6.2kΩ，因此RA的實(shí)際值為[23k - 6k] = 17k。因此，將值四舍五入，因?yàn)楦嗟碾娏鳠o關(guān)緊要，并選擇RA = 15kΩ 和RB = 22kΩ。

那里。完成的?，F(xiàn)在構(gòu)建一個(gè)并嘗試一下。好吧，無論如何，模擬它。它按預(yù)期工作，在 12v 和 8v 下切換。

設(shè)計(jì)實(shí)例的最終電路

該電路的輸出從大約 13v 擺動(dòng)到 24v，而規(guī)范說輸出電平應(yīng)該是 0v 和 5v。我需要添加一個(gè)由 +5v 電源軌供電的電平轉(zhuǎn)換晶體管來糾正這個(gè)問題。最簡單的解決方案是添加一個(gè) pnp 逆變器。

并且在 15kΩ 電阻器 R6(即RA)上包括一個(gè)電容器(4.7 或 10nF)，使電路開關(guān)更快、更干凈——輸出邊沿的上升和下降時(shí)間約為 500 納秒。

最終電路如下所示。我最終得到了 3 個(gè)晶體管和 9 個(gè)電阻器(和一個(gè)電容器)。這 13 個(gè)組件將占用令人不舒服的 PCB 面積，而且組裝成本也可能會(huì)讓人大吃一驚。應(yīng)該有更好的解決方案。

使用三個(gè)晶體管的替代方法

最初的 2 晶體管電路實(shí)際上只是具有正反饋的長尾對(duì)。像這樣畫出來，并從第三個(gè) (pnp) 晶體管T3獲取反饋，就得到了這里所示的電路。它的工作原理與之前的電路類似，只是現(xiàn)在更有效地利用了 pnp 晶體管的增益。

它還使用更少的電阻器 - 其中一個(gè)僅用于將輸出擺幅限制在所需的 5v。

和之前一樣，當(dāng)輸入電壓Vi接近于零時(shí)，T1沒有基極電流，所以它處于關(guān)閉狀態(tài)。T2開啟(使RC短路)，T3也是如此。輸出Vo為高電平。

隨著Vi上升，遲早它會(huì)達(dá)到足以讓T1開始開啟的值。這必須在T1的基極電壓略高于T2時(shí)發(fā)生。RA和RB形成一個(gè)分壓器，定義T2的基極電壓，這兩個(gè)電阻定義了上限閾值VP。

當(dāng)T1打開時(shí)，它會(huì)關(guān)閉T2和T3。輸出Vo下降到接近零(假設(shè)RC足夠大)。

現(xiàn)在假設(shè)Vi開始下降。當(dāng) T1 的基極電壓降至剛好低于T2時(shí)， T1將再次關(guān)閉。該電壓由分壓器RC - RA - RB固定，并且可以設(shè)置在零(如果RC =∞)和VP之間的任何位置。該電路的一大優(yōu)點(diǎn)是VP和VN都由分壓器定義，因?yàn)樗鼈儗⒃诨诒容^器的解決方案中。

一個(gè)更簡單的選擇

最初的設(shè)計(jì)解決方案過于復(fù)雜(13 個(gè)組件)，因?yàn)樗謨蓚€(gè)階段解決了問題——首先制造施密特觸發(fā)器，然后安裝電平轉(zhuǎn)換器。

將這兩個(gè)階段合二為一并不比用 pnp 類型替換 npn 晶體管更復(fù)雜。該解決方案僅使用 9 個(gè)組件。

該電路(幾乎)與原始電路完全相同，只是交換了 +24v 和接地。你甚至可以說，把皺眉倒過來!如果你是那些一直堅(jiān)持微笑的惱人的人之一。

原電路中+13v 和+24v 的輸出電平現(xiàn)在變?yōu)?11v 和0v。規(guī)范要求 +5v 和 0v，所以我只需要大約一半的可用輸出擺幅，我可以通過為R2A和R2B選擇合適的值來獲得。

一個(gè)更簡單的選擇

如果你已經(jīng)讀到這里，你現(xiàn)在知道電路是如何工作的，如何設(shè)計(jì)一個(gè)，以及如何調(diào)整它。但是您可能仍然想知道，如果有的話，您何時(shí)會(huì)選擇這種方法。

這不是一個(gè)容易的問題。答案取決于您設(shè)計(jì)的系統(tǒng)類型。如果輸入信號(hào)相對(duì)較大，并且您決定VP和VN必須相距很遠(yuǎn)(例如，為了抑制干擾噪聲)，并且系統(tǒng)已經(jīng)包含分立元件，則基于晶體管的解決方案可能是答案。如果不是，那么首先嘗試一個(gè)簡單的解決方案可能是值得的，只要看看它在實(shí)踐中的效果如何。設(shè)計(jì)示例問題可能可以通過此處顯示的非常簡單的電路來解決(盡管實(shí)際上，我對(duì)此表示懷疑)。