Elektronica/Opamps/Niet Lineaire Schakelingen/Schmitt Trigger

De Schmitt Trigger

De Schmitt Trigger is niets anders dan een comparator met een hysteresis functionaliteit (geheugenfunctionaliteit) in aanwezig. In schemavorm ziet deze er als volgt uit:

Omwille van de hysteresis werkt deze schakeling beter dan de comparator omdat deze zich stabieler zal gedragen indien het te meten signaal zich rond de referentiespanning bevindt die aangelegd is aan de andere ingang. Praktisch wil deze hysteresis zeggen dat de grenswaarde waarbij van de negatieve naar de positieve uitgang overgeschakeld wordt, verschilt van de grenswaarde waarbij van de positieve naar de negatieve uitgang overgeschakeld wordt. De afstand tussen deze twee grenswaarden dient, om goed te werken, groter te zijn dan de peak-to-peak grootte van de ruis die men zo wenst op te vangen. Bemerk dat hier duidelijk werking is van meekoppeling: er is een feedback naar V₊ waardoor de opamp richting zijn positieve of negatieve saturatiespanning gedwongen wordt.

De transferkarakteristiek wordt bepaald door de twee schakelpunten V_UTP en V_LTP, (lower threshold point en upper threshold point).

Omwille van de ideale opamp kan verondersteld worden dat $V_{+}$ virtueel massa is. Hieruit volgt dat:

$I_{R1}=I_{R2}$

Of volgens Ohm:

${\frac {V_{in}-V_{+}}{R_{1}}}={\frac {V_{+}-V_{out}}{R_{2}}}$

Eens de virtuele massa van $R_{2}$ in rekening gebracht is volgt hieruit dat:

$V_{in}={\frac {R_{1}}{R_{2}}}\cdot V_{out}$

Hierbij houden we er rekening mee dat $V_{out}$ gelijk is aan $V_{S+}$ of $V_{S-}$. Indien de opamp symmetrisch gevoed is, zullen de schakelpunt symmetrisch rond de 0 Volt liggen op

$V_{LTP}=-{\frac {R_{1}}{R_{2}}}\cdot V_{S}$ en $V_{HTP}={\frac {R_{1}}{R_{2}}}\cdot V_{S}$

De hysteresis zal er als volgt uitzien, hierbij is M gelijk aan $V_{S}$ en T gelijk aan $V_{HTP}$:

Alternatieve schema's zijn mogelijk waar het ingangssignaal rechstreeks op $V_{-}$ aangelegd wordt, en waar $V_{in}$ vervangen wordt door een referentiespanning. Op deze manier kunnen ook Schmitt triggers gemaakt worden die niet symmetrisch zijn rond 0 V. Bemerk dan wel dat de uitgangskarakeristiek geïnverteerd wordt, daar de sturing gebeurt op V_-

Hysteresis

Volgende afbeelding toont het verschil tussen een comparator met en zonder hysteresis functie. De bovenste grafiek geeft het ingangssignaal weer. Hierbij is de horizontale rode lijn het schakelpunt van de comparator en A de uitgang van de comparator schakeling (in dit geval is de negatieve saturatiespanning niet negatief, maar dat is geen strikte vereiste in se). De twee groene horizontale lijnen zijn de boven en ondergrenzen voor de Schmitt trigger (UTP en LTP) terwijl B de uitgang van de Schmitt trigger is. Het is duidelijk dat hier een aantal false positives weggefilterd zijn. Bemerk wel dat B in tijd na-ijlt ten opzichte van A, dit is te wijten aan het feit dat de UTP hoger ligt dan de comparator referentiespanning en het dus iets langer duurt om dit punt te bereiken, idem voor de LTP natuurlijk.

In schemavorm wordt ook volgend symbool vaak gebruikt om aan te geven dat een Schmitt trigger gebruikt wordt:

Opgaven

Opgave: Ontwerp een Schmitt Trigger die een blokgolf met amplitude van 3 Volt waar ruis op aanwezig is met een peak to peak amplitude van 1 Volt terug reconstrueert. Teken in- en uitgangssignaal.