今天給大家分享的是晶體管施密特觸發(fā)電路設(shè)計(jì)。

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

一、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。

二、不能用 CMOS 來(lái)設(shè)計(jì)施密特觸發(fā)器嗎？

CMOS器件

CMOS 器件可以用來(lái)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(guò)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。

三、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 0，T1 沒(méi)有基極電流，所以 T1 處于關(guān)閉狀態(tài)。T2 通過(guò) R1和 RA 汲取基極電流，因此 T2 處于開(kāi)啟狀態(tài)（并且根據(jù)設(shè)計(jì)，T2 是飽和的 - 集電極-發(fā)射極電壓 Vce 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。

雙晶體管施密特觸發(fā)器

現(xiàn)在假設(shè) Vi 開(kāi)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(kāi)始導(dǎo)通。

這個(gè)時(shí)候，T1 開(kāi)始使 T2 缺乏基極電流，因此 T2 開(kāi)始關(guān)閉，因此其發(fā)射極電壓開(kāi)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(kāi)啟。正反饋使電路進(jìn)入 T1 開(kāi)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(kāi)始回落到 0，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(kāi)始關(guān)閉，這允許 T2 再次開(kāi)始開(kāi)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(kāi)啟。

閾值和電流

這里需要強(qiáng)調(diào)一下重要的設(shè)計(jì)約束。假設(shè) Vi 從零開(kāi)始緩慢上升，并達(dá)到 T1 開(kāi)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(guò) RE 的電流現(xiàn)在通過(guò) T1。

假設(shè)該電流大于來(lái)自T2 的電流。如果是這樣，T1 的發(fā)射極電壓會(huì)在 T1 開(kāi)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(kāi)啟。換句話說(shuō)，電路會(huì)振蕩。

因此，必須確保 T1 中的電流（I1）小于 T2 中的電流（I2），否則電路將無(wú)法工作。

并且由此得出，T2 再次開(kāi)啟的閾值（Vn ）必須低于 VP。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。

四、如何設(shè)計(jì)晶體管施密特觸發(fā)器？

設(shè)計(jì)一個(gè)電路來(lái)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）的施密特觸發(fā)器，也可以使用比較器。

但這里顯而易見(jiàn)的方法是使用 +24v 電源軌的基于晶體管的設(shè)計(jì)，我主要會(huì)選擇幾個(gè)容易獲得的 30v npn 開(kāi)關(guān)。

1、確定閾值 VP

從波形上看，它可能應(yīng)該在 12 或 13v 左右。

2、選擇 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(kāi)關(guān)邊沿。

現(xiàn)在在 T2 選擇 3 mA ，那么發(fā)射極電阻 RE ： [12v / 3mA] = 4k，使用 3.9kΩ。

接下來(lái)，R2： [(24v - 12v) / 3mA] = 4k，這里使用 3.9kΩ。

電流電壓計(jì)算公式

3、選擇 T1 的集電極電流，從而選擇較低的閾值電壓VN

噪聲尖峰比較麻煩，I1： [9v / 3.9kΩ] = 2.3 mA 時(shí)，將目標(biāo)設(shè)置為 9 或 10v 左右，這將產(chǎn)生大約 4v 的滯后。

R1：[(24v - 9v) / 2.3mA] = 6.5k，使用 6.2 kΩ。

R3 限制 T1 的最大基極電流，最大基極電流可以為： [2.3mA / 30] = 77μA（因?yàn)榫w管的電流增益不會(huì)低于 30）。

R3： [(24v - 9v) / 77μA] = 194k，使用 180kΩ。（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。）

RA & RB：RA 用于在 T1 關(guān)閉時(shí)限制 T 2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(guò) [3mA / 30] = 100μA。

選擇通過(guò) 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 0 ，RA+ RB ：[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。

RB： [48k x 1.1/2.1] = 25k ；RA： [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(wú)關(guān)緊要。

RA = 15kΩ 和 RB = 22kΩ。

五、晶體管施密特觸發(fā)器

現(xiàn)在，所有的值都確定，就可以大概開(kāi)始設(shè)計(jì)，電路按預(yù)期工作，在 12v 和 8v 下切換。

雙晶體管施密特觸發(fā)器（初始設(shè)計(jì)圖）

雙晶體管施密特觸發(fā)器仿真模擬圖

該電路的輸出從大約 13v 擺動(dòng)到 24v，而規(guī)范說(shuō)輸出電平應(yīng)該是 0v 和 5v，因此 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(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

最簡(jiǎn)單的解決方案是添加一個(gè) pnp 逆變器，并且在 15kΩ 電阻 R6（即 RA）上包括一個(gè)電容（4.7 或 10nF），使電路開(kāi)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。

雙晶體管施密特觸發(fā)器最終設(shè)計(jì)如下圖所示：

雙晶體管施密特觸發(fā)器最終設(shè)計(jì)

最終這個(gè)電路使用了 3 個(gè)晶體管和 9 個(gè)電阻，1 個(gè)電容。這13個(gè)組件占 了很大的PCB面積，可能組裝成本也會(huì)比較高，應(yīng)該會(huì)有更好的解決方案。

晶體管施密特觸發(fā)器改進(jìn)電路

1、晶體管數(shù)量不變，電阻數(shù)量減少，有效地利用 PNP晶體管的增益

最初的晶體管電路實(shí)際上只是具有正反饋的長(zhǎng)尾對(duì)，像這樣畫(huà)出來(lái)，并從第三個(gè) (pnp) 晶體管 T3 獲取反饋，就得到了下圖所示的電路。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。

晶體管施密特觸發(fā)器改進(jìn)電路

這里使用更少的電阻 - 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(méi)有基極電流，所以它處于關(guān)閉狀態(tài)。T2開(kāi)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(kāi)始開(kāi)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(kāi)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(kāi)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。

上述電路的一大優(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。

2、晶體管數(shù)量減少，將兩個(gè)方案合二為一，組件減少 （9個(gè)）

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

晶體管施密特觸發(fā)器改進(jìn)電路

將這兩個(gè)階段合二為一并比用 pnp 類型替換 npn 晶體管更簡(jiǎn)單，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。

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(guò)為 R2A和 R2B 選擇合適的值來(lái)獲得。

3、使用 COMS器件 74CH14 來(lái)代替

如果你看到這里的話，應(yīng)該知道施密特觸發(fā)電路是如何工作的，并且知道如何設(shè)計(jì)一個(gè)施密特觸發(fā)器以及怎么去調(diào)整。

如果你還想簡(jiǎn)化電路的話，你可以考慮下面這種方法。當(dāng)然這并不是一個(gè)容易的問(wèn)題，關(guān)鍵還是取決于你設(shè)計(jì)的系統(tǒng)類型。

如果輸入信號(hào)相對(duì)較大，并且你要求 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 COMS器件。

具體的可以看下面這個(gè)電路，設(shè)計(jì)示例可以通過(guò)下面這個(gè)簡(jiǎn)單的電路來(lái)解決，但是實(shí)際效果怎么樣，需要看在實(shí)踐中的效果。

晶體管施密特觸發(fā)器改進(jìn)電路